作者：夏正兵
出版社：东南大学出版社
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建筑材料试读：
前言
本书是高职院校土建类系列教材之一，是编者在结合近年来在课程建设方面取得的经验基础上，结合国内外建筑材料的基本情况，按照土木建筑工程相关专业高职人才培养的特点编写的。
书中结合了大量的图片，重基础、重实用、简理论，力求主线清晰，便于理解记忆和查阅。本书最大的特点是，在编写过程中，加入建筑材料的案例分析，这是一个创新点。
本书内容包括绪论，建筑材料的基本性质，气硬性胶凝材料，水泥，混凝土，建筑砂浆，墙体材料，绝热材料、吸声隔音材料，建筑钢材，建筑塑料，沥青材料，木材，建筑玻璃、陶瓷，建筑涂料，建筑装饰材料，案例分析，建筑材料试验。
本书由南通广播电视大学、安徽新华学院、紫琅职业技术学院、黄河科技学院、金肯职业技术学院、常州建设高等职业技术学校、无锡南洋职业技术学院等学校的老师共同编写。全书由夏正兵拟定大纲并统稿。
本书在编写过程中，得到了紫琅职业技术学院建筑工程系庞金昌主任、江苏城市职业学院建筑工程系顾卫扬主任的大力支持，同时，编者也参阅了大量参考文献，在此一并感谢。
由于编者水平所限，加之时间仓促，书中难免有不足之处，敬请读者批评指正。编者2010年7月0 绪论本章提要：掌握工程材料的定义与分类；了解工程材料在建筑工程中的地位与作用，以及工程材料的发展历史和发展方向；掌握《建筑材料》课的学习方法。0.1 建筑材料的分类
建筑材料是建筑工程结构物所用材料的总称。换句话说，建造建筑物或构筑物本质上都是所用建筑材料的一种“排列组合”，建筑材料是建筑工程中不可缺少的物质基础。建筑材料种类繁多，性能差别悬殊，使用量很大，正确选择和使用工程材料，不仅与构筑物的坚固、耐久和适用性有密切关系，而且直接影响到工程造价（因为材料费用一般要占工程总造价的一半以上）。因此，在选材时充分考虑材料的技术性能和经济性，在使用中加强对材料的科学管理，无疑对提高工程质量和降低工程造价起重要作用。
建筑材料有各种不同的分类方法。例如，根据用途，可将工程材料分为结构主体材料和辅助材料；根据工程材料在工程结构物中的部位（以工业与民用建筑为例），可分为承重材料、屋面材料、墙体材料和地面材料等；根据工程材料的功能，又可分为结构材料、防水材料、装饰材料、功能（声、光、电、热、磁等）材料等。
目前，建筑材料通常是根据组成物质的种类和化学成分分类的（表0-1）。表0-1 建筑材料分类0.2 建筑材料的技术标准分类
建筑工程中使用的各种材料及其制品，应具有满足使用功能和所处环境要求的某些性能，而材料及其制品的性能或质量指标必须用科学方法所测得的确切数据来表示。为使测得的数据能在有关研究、设计、生产、应用等各部门得到承认，有关测试方法和条件、产品质量评价标准等均由专门机构制定并颁发“技术标准”，并做出详尽明确的规定作为共同遵循的依据。这也是现代工业生产各个领域的共同需要。
技术标准，按照其适用范围，可分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准等。
国家标准，是指对全国经济、技术发展有重大意义，必须在全国范围内统一的标准，简称“国标”。国家标准由国务院有关主管部门（或专业标准化技术委员会）提出草案，报国家标准总局审批和发布。
行业标准，也是专业产品的技术标准，主要是指全国性各专业范围内统一的标准，简称“行标”。这种标准由国务院所属各部和总局组织制定、审批和发布，并报送国家标准总局备案。
企业标准，凡没有制定国家标准、行业标准的产品或工程，都要制定企业标准。这种标准是指仅限于企业范围内适用的技术标准，简称“企标”。为了不断提高产品或工程质量，企业可以制定比国家标准或行业标准更先进的产品质量标准。现将国家标准及部分行业标准代号列于表0-2中。表0-2 国家及部分行业标准代号
随着国家经济技术的迅速发展和对外技术交流的增加，我国还引入了不少国际和外国技术标准，现将常见的标准代号列入表0-3中，以供参考。表0-3 国际组织及几个主要国家标准代号0.3 建筑材料的发展趋势
建筑材料的生产和使用是随着人类社会生产力的发展和科学技术水平的提高而逐步发展起来的。远古时代人类只能依赖大自然的恩赐，“巢处穴居”。随着社会生产力的发展，人类进入石器、铁器时代，利用简单的生产工具能够挖土、凿石为洞，伐木搭竹为棚，从巢处穴居进入了稍经加工的土、石、木、竹构成的棚屋，为简单地利用材料迈出了可喜的一步。以后人类学会用黏土烧制砖、瓦，用岩石烧制石灰、石膏。与此同时，木材的加工技术和金属的冶炼与应用也有了相应的发展。此时材料的利用才由天然材料进入到人工生产阶段，居住条件有了新的改善，砖石、砖木混合结构成了这一时期的主要特征。以后人类社会进入漫长的封建社会阶段，生产力发展缓慢，工程材料的发展也缓慢，长期停留在“秦砖汉瓦”水平上。人类社会活动范围的扩大、工商业的发展和资本主义的兴起，城市规模的扩大和交通运输的日益发达，都需要建造更多、更大、更好以及具有某些特殊性能的建筑物和附属设施，以满足生产、生活和工业等方面的需要。例如，大型公共建筑、大跨度的工业厂房、海港码头、铁路、公路、桥梁以及给水排水、水库电站等工程。
显然，原有的工程材料在数量、质量和性能方面均不能满足上述新要求。供求矛盾推动工程材料的发展进入了新的阶段。水泥、混凝土的出现，钢铁工业的发展，钢结构、钢筋混凝土结构也就应运而生。这是18世纪、19世纪结构和材料的主要特征。进入20世纪以后，随着社会生产力的更大发展和科学技术水平的迅速提高，以及材料科学的形成和发展，工程材料的品种增加、性能改善、质量提高，一些具有特殊功能的材料也相继发展了。在工业建筑上，根据生产工艺、质量要求和耐久性的需要，研制和生产了各种耐热、耐磨、抗腐蚀、抗渗透、防爆或防辐射材料；在民用建筑上，为了室内温度的稳定并尽量节约能源，制造了多种有机和无机的保温绝热材料；为了减少室内噪声并改善建筑物的音质，也制成了相应的吸声、隔声材料。
建筑材料是建筑工程的重要组成部分，它和工程设计、工程施工以及工程经济之间有着密切的关系。自古以来，工程材料和工程构筑物之间就存在着相互依赖、相互制约和相互推动的矛盾关系。一种新材料的出现必将推动构筑设计方法、施工程序或形式的变化，而新的结构设计和施工方法必然要求提供新的更优良的材料。例如，没有轻质高强的结构材料，就不可能设计出大跨度的桥梁和工业厂房，也不可能有高层建筑的出现；没有优质的绝热材料、吸声材料、透光材料及绝缘材料，就无法对室内的声、光、电、热等功能做妥善处理；没有各种各样的装饰材料，就不能设计出令人满意的高级建筑；没有各种材料的标准化、大型化和预制化，就不可能减少现场作业次数，实现快速施工；没有大量质优价廉的材料，就不能降低工程的造价，也就不能多快好省地完成各种基本建设任务。因此，可以这样说，没有工程材料的发展，也就没有建筑工程的发展。有鉴于此，建筑业材料的发展方向有着以下一些趋势：在材料性能方面，要求轻质、高强、多功能和耐久；在产品形式方面，要求大型化、构件化、预制化和单元化；在生产工艺方面，要求采用新技术和新工艺，改造和淘汰陈旧设备和工艺，提高产品质量；在资源利用方面，既要研制和开发新材料，又要充分利用工农业废料和地方材料；在经济效益方面，要降低材料消耗和能源消耗，进一步提高劳动生产率和经济效益。
材料与人类的活动是密切相连的，故人类对材料的探索与研究也早已开始，并不断向前发展。随着新材料的出现和研究工作的不断深入，以及与材料有关的基础学科的日益发展，人类对材料的内在规律有了进一步的了解，对各类材料的共性知识初步得到了科学的抽象认识，从而诞生了“材料科学”这一新的学科领域。材料科学（更准确地说应该是材料科学与工程）是介于基础科学与应用科学之间的一门应用基础科学。其主要任务在于研究材料的组分、结构、界面与性能之间的关系及其变化规律，从而使材料达到以下三个预测目的：按材料组成、工艺过程，预测不同层次的组分结构及界面状态；按不同层次的组分、结构及界面，预测力学行为或其他功能；按使用条件、环境及自身的化学物理变化，预测使用寿命。实际上，就是按使用要求设计材料、研制材料及预测使用寿命。建筑材料也属于材料科学的研究对象，但由于种种原因，在材料科学的利用方面起步较晚。我们坚信，随着材料科学的普及和测试技术的发展，建筑材料的研究必将纳入材料科学的轨道，那时建筑材料的发展必将有重大突破。0.4 《建筑材料》的学习方法《建筑材料》在土建类专业中是一门专业基础课。学习本课程的目的是为进一步学习专业课提供有关材料的基础知识，并为今后从事设计、施工和管理工作中合理选择和正确使用材料奠定基础。《建筑材料》的内容庞杂、品种繁多，涉及许多学科或课程，其名词、概念和专业术语多，各种建筑材料相对独立，即各章之间的联系较少。此外，公式推导少，而以叙述为主，许多内容为实践规律的总结。因此，其学习方法与力学、数学等完全不同。学习《建筑材料》时应从材料科学的观点和方法及实践的观点来进行，否则就会感到枯燥无味，难以掌握材料组成、性质、应用以及它们之间的相互联系。学习《建筑材料》时，应从以下几个方面进行：（1）了解或掌握材料的组成、结构和性质间的关系。掌握建筑材料的性质与应用是学习的目的，但孤立地看待和学习，就免不了要死记硬背。材料的组成和结构决定材料的性质和应用，因此学习时应了解或掌握材料的组成、结构与性质间的关系。应特别注意掌握的是，材料内部的孔隙数量、孔隙大小、孔隙状态及其影响因素，它们对材料的所有性质均有影响，同时还应注意外界因素对材料结构与性质的影响。（2）运用对比的方法。通过对比各种材料的组成和结构来掌握它们的性质和应用，特别是通过对比来掌握它们的共性和特性。这在学习水泥、混凝土、沥青混合料等时尤为重要。（3）密切联系工程实际，重视试验课并做好试验。《建筑材料》是一门实践性很强的课程，学习时应注意理论联系实际，利用一切机会注意观察周围已经建成的或正在施工的工程，提出一些问题，在学习中寻求答案，并在实践中验证和补充书本所学内容。试验课是本课程的重要教学环节，通过试验可验证所学的基本理论，学会检验常用材料的试验方法，掌握一定的试验技能，并能对试验结果进行正确的分析和判断。这对培养学习与工作能力及严谨的科学态度十分有利。
复习思考题1.简述建筑材料的分类。2.简述建筑材料的发展趋势。3.简述《建筑材料》课程的学习方法。1 建筑材料的基本性质本章提要：了解材料的组成与结构以及它们与材料性质的关系；掌握材料与质量有关的性质、与水有关的性质及与热有关的性质的概念及表示方法，并能较熟练地运用；了解材料的力学性质及耐久性的基本概念。
建筑物是由各种建筑材料建筑而成的，这些材料在建筑物的各个部位要承受各种各样的作用，因此要求建筑材料必须具备相应性质。如结构材料必须具备良好的力学性质；墙体材料应具备良好的保温隔热性能、隔声吸声性能；屋面材料应具备良好的抗渗防水性能；地面材料应具备良好的耐磨损性能等等。一种建筑材料要具备哪些性质，这要根据材料在建筑物中的功用和所处环境来决定。一般而言，建筑材料的基本性质包括物理性质、化学性质、力学性质和耐久性。1.1 材料的物理性质
1.1.1 材料的基本物理性质
1）实际密度
材料在绝对密实状态下，单位体积的质量称为密度。用公式表示如下：
ρ=m/V（1-1）3
式中：ρ——材料的密度（g/cm）；
m——材料在干燥状态下的质量（g）；3
V——干燥材料在绝对密实状态下的体积（cm）。
材料在绝对密实状态下的体积是指不包括孔隙在内的固体物质部分的体积，也称实体积。在自然界中，绝大多数固体材料内部都存在孔隙，因此固体材料的总体积（Vo）应由固体物质部分体积（V）和孔隙体积（Vp）两部分组成，而材料内部的孔隙又根据是否与外界相连通被分为开口孔隙（浸渍时能被液体填充，其体积用Vk表示）和封闭孔隙（与外界不相连通，其体积用Vb表示）。
测定固体材料的密度时，须将材料磨成细粉（粒径小于0.2mm），经干燥后采用排开液体法测得固体物质部分体积。材料磨得越细，测得的密度值越精确。工程所使用的材料绝大部分是固体材料，但需要测定其密度的并不多。大多数材料，如拌制混凝土的砂、石等，一般直接采用排开液体的方法测定其体积——固体物质体积与封闭孔隙体积之和，此时测定的密度为材料的近似密度（又称为颗粒的表观密度）。
2）体积密度
整体多孔材料在自然状态下单位体积的质量称为体积密度。用公式表示如下：
ρ=m/V （1-2）oo3
式中：ρ——材料的体积密度（kg/m）；o
m——材料的质量（kg）；V3
o——材料在自然状态下的体积（m）。
整体多孔材料在自然状态下的体积是指材料的固体物质部分体积与材料内部所含全部孔隙体积之和，即Vo=V+Vp。对于外形规则的材料，其体积密度的测定只需测定其外形尺寸；对于外形不规则的材料，要采用排开液体法测定，但在测定前，材料表面应用薄蜡密封，以防液体进入材料内部孔隙而影响测定值。
一定质量的材料，孔隙越多，则体积密度值越小；材料体积密度大小还与材料含水多少有关，含水越多，其值越大。通常所指的体积密度，是指干燥状态下的体积密度。
3）堆积密度
散粒状（粉状、粒状、纤维状）材料在自然堆积状态下，单位体积的质量称为堆积密度。用公式表示如下：
ρ′=m/V′ （1-3）oo3
式中：ρ′——材料的堆积密度（kg/m）；o
m——散粒材料的质量（kg）；
V——散粒材料在自然堆积状态下的体积，又称堆积体积o′3（m）。
在建筑工程中，计算材料的用量、构件的自重、配料计算、确定材料堆放空间，以及材料运输车辆时，需要用到材料的密度。
1.1.2 材料的密实度与孔隙率
1）密实度
材料体积内被固体物质所充实的程度称为密实度，用D表示，即：
2）孔隙率
孔隙率是指材料体积内孔隙体积所占的比例，即：
式中：P——材料的孔隙率（%）。
孔隙率的大小反映了材料的致密程度。材料的许多性能，如强度、吸水性、耐久性、导热性等均与其孔隙率有关。此外，还与材料内部孔隙的结构有关。孔隙结构包括孔隙的数量、形状、大小、分布以及连通与封闭等情况。
材料内部孔隙有连通与封闭之分，连通孔隙不仅彼此连通且与外界相通，而封闭孔隙则不仅彼此互不连通，而且与外界隔绝。孔隙本身有粗细之分，粗大孔隙（孔径D≥1.0mm）、细小孔隙（孔径0.01mm＜D＜1.0mm）和极细微孔隙（孔径D≤0.01mm）。粗大孔隙虽然易吸水，但不易保持。极细微开口孔隙吸入的水分不易流动，而封闭的不连通孔隙，水分及其他介质不易侵入。因此，我们说孔隙结构及孔隙率对材料的表观密度、强度、吸水率、抗渗性、抗冻性及声、热、绝缘等性能都有很大影响。
1.1.3 材料的填充率与空隙率
1）填充率D′
散粒材料在堆积状态下，其颗粒的填充程度称为填充率D′，即：
2）空隙率
空隙率是指散粒材料在堆积状态下，颗粒之间的空隙体积所占的比例，即：
式中：P′——材料的空隙率（%）。
空隙率的大小表征散粒材料颗粒间相互填充的致密程度。空隙率可作为控制混凝土骨料级配与计算砂率的依据。
1.1.4 材料与水有关的性质
1）亲水性与憎水性
材料与水接触时，根据材料是否能被水润湿，可将其分为亲水性和憎水性两类。亲水性是指材料表面能被水润湿的性质；憎水性是指材料表面不能被水润湿的性质。
当材料与水在空气中接触时，将出现如图1-1所示的两种情况。在材料、水、空气三相交点处，沿水滴的表面作切线，切线与水和材料接触面所成的夹角称为润湿角（用θ表示）。当θ越小，表明材料越易被水润湿。一般认为，当θ≤90°时，材料表面吸附水分，能被水润湿，材料表现出亲水性；当θ＞90°时，材料表面不易吸附水分，不能被水润湿，材料表现出憎水性。图1-1 材料的润湿示意图
亲水性材料易被水润湿，且水能通过毛细管作用而被吸入材料内部。憎水性材料则能阻止水分渗入毛细管中，从而降低材料的吸水性。建筑材料大多数为亲水性材料，如水泥、混凝土、砂、石、砖、木材等，只有少数材料为憎水性材料，如沥青、石蜡、某些塑料等。建筑工程中憎水性材料常被用作防水材料，或作为亲水性材料的覆面层，以提高其防水、防潮性能。
2）吸水性与吸湿性（1）吸水性
材料在水中吸收水分的性质称为吸水性。材料吸水能力的大小用吸水率表示，即：
式中：W——材料的质量吸水率（%）；
m——材料在干燥状态下的质量（g）；
m——材料吸水饱和状态下的质量（g）。1
有时也用体积吸水率来表示材料的吸水性。材料吸入水分的体积占干燥材料自然状态下体积的百分率称为体积吸水率。
由于材料的亲水性以及开口孔隙的存在，大多数材料都具有吸水性，所以材料中通常均含有水分。
材料的吸水性不仅与其亲水性及憎水性有关，也与其孔隙率的大小及孔隙特征有关。一般孔隙率越高，其吸水性越强。封闭孔隙水分不易进入；粗大开口孔隙，不易吸满水分；具有细微开口孔隙的材料，其吸水能力特别强。
各种材料因其化学成分和结构构造不同，其吸水能力差异极大，如致密岩石的吸水率只有0.50%～0.70%，普通混凝土为2.00%～3.00%，普通黏土砖为8.00%～20.00%；木材及其他多孔轻质材料的吸水率则常超过100%。（2）吸湿性
湿空气中吸收水分的性质称为吸湿性。用含水率表示，即：
式中：W——材料的含水率（%）；含
m——材料在干燥状态下的质量（g）；
m——材料含水时的质量（g）。含
材料的吸湿性随空气湿度大小而变化。干燥材料在潮湿环境中能吸收水分，而潮湿材料在干燥的环境中也能放出（又称蒸发）水分，这种性质称为还水性，最终与一定温度下的空气湿度达到平衡。多数材料在常温常压下均含有一部分水分，这部分水的质量占材料干燥质量的百分率称为材料的含水率。与空气湿度达到平衡时的含水率称为平衡含水率。木材具有较大的吸湿性，吸湿后木材制品的尺寸将发生变化，强度也将降低；保温隔热材料吸入水分后，其保温隔热性能将大大降低；承重材料吸湿后，其强度和变形也将发生变化。因此，在选用材料时，必须考虑吸湿性对其性能的影响，并采取相应的防护措施。
3）耐水性
材料长期在饱和水的作用下抵抗破坏，保持原有功能的性质称为耐水性。材料的耐水性常用软化系数K表示： R
式中：K——材料的软化系数；R
f——材料在吸水饱和状态下的极限抗压强度（MPa）；饱
f——材料在绝干状态下的极限抗压强度（MPa）。干
由上式可知，K值的大小表明材料浸水后强度降低的程度。一R般材料在水的作用下，其强度均有所下降，这是由于水分进入材料内部后，削弱了材料微粒间的结合力所致。如果材料中含有某些易于被软化的物质如黏土等，这将更为严重。因此，在某些工程中，软化系数K的大小成为选择材料的重要依据。一般次要结构物或受潮较轻R的结构所用的材料K值应不低于0.75；受水浸泡或处于潮湿环境的重R要结构物的材料，其K值应不低于0.85；特殊情况下，K值应当更RR高。
4）抗渗性
材料在压力水作用下抵抗渗透的性质称为抗渗性。材料的抗渗性一般用渗透系数K表示：
式中：K——渗透系数（cm/h）；3
Q——渗水总量（cm）；
d——试件厚度（cm）；2
A——渗水面积（cm）；
t——渗水时间（h）；
H——静水压力水头（cm）。
抗渗性也可用抗渗等级（记为P）表示，即以规定的试件在标准试验条件下所能承受的最大水压（MPa）来确定，即：
P=10H-1 （1-14）
式中：P——抗渗等级；
H——试件开始渗水时的水压（MPa）。
渗透系数越小的材料其抗渗性越好。材料抗渗性的高低与材料的孔隙率和孔隙特征有关。绝对密实的材料或具有封闭孔隙的材料，水分难以透过。对于地下建筑及桥涵等结构物，由于经常受到压力水的作用，因此要求材料应具有一定的抗渗性。对用于防水的材料，其抗渗性的要求更高。
5）抗冻性
材料在饱和水状态下，能经受多次冻融循环作用而不被破坏，且强度也不显著降低的性质，称为抗冻性。材料的抗冻性用抗冻等级表示。抗冻等级是以规定的试件，采用标准试验方法，测得其强度降低不超过规定值，并无明显损害和剥落时所能经受的最大冻融循环次数来确定，以Fn表示，其中n为最大冻融循环次数。
材料经受冻融循环作用而破坏，主要是因为材料内部孔隙中的水结冰所致。水结冰时体积要增大，若材料内部孔隙充满了水，则结冰产生的膨胀会对孔隙壁产生很大的应力，当此应力超过材料的抗拉强度时，孔壁将产生局部开裂；随着冻融循环次数的增加，材料逐渐被破坏。
材料抗冻性的好坏，取决于材料的孔隙率、孔隙的特征、吸水饱和程度和自身的抗拉强度。材料的变形能力大，强度高，软化系数大，则抗冻性较高。一般认为，软化系数小于0.80的材料，其抗冻性较差。在寒冷地区及寒冷环境中的建筑物或构筑物，必须要考虑所选择材料的抗冻性。
1.1.5 材料与热有关的性质
为保证建筑物具有良好的室内小气候，降低建筑物的使用能耗，要求材料具有良好的热工性质。通常考虑的热工性质有导热性、热容量。
1）导热性
当材料两侧存在温差时，热量将从温度高的一侧通过材料传递到温度低的一侧，材料这种传导热量的能力称为导热性。材料导热性的大小用导热系数表示。导热系数是指厚度为1m的材料，当两侧温差2为1K时，在1s时间内通过1m面积的热量。用公式表示如下：
式中：λ——材料的导热系数[W/（m·K）]；
Q——传递的热量（J）；d——材料的厚度（m）；2
A——材料的传热面积（m）；t——传热时间（s）；
T-T——材料两侧的温差（K）。21
材料的导热性与孔隙率大小、孔隙特征等因素有关。孔隙率较大的材料，内部空气较多，由于密闭空气的导热系数很小[λ=0.023W/（m·K）]，因此其导热性较差。但如果孔隙粗大，空气会形成对流，材料的导热性反而会增大。材料受潮以后，水分进入孔隙，水的导热系数比空气的导热系数高很多[λ=0.58W/（m·K）]，从而使材料的导热性大大增加；材料若受冻，水结成冰，冰的导热系数是水导热系数的四倍，为λ=2.3W/（m·K），材料的导热性将进一步增加。
建筑物要求具有良好的保温隔热性能。保温隔热性和导热性都是指材料传递热量的能力，在工程中常把1/λ称为材料的热阻，用R表示。材料的导热系数越小，其热阻越大，则材料的导热性能越差，其保温隔热性能越好。
2）热容量
材料容纳热量的能力称为热容量，其大小用比热表示。比热是指单位质量的材料，温度每升高或降低1K时所吸收或放出的热量。用公式表示如下：
式中：C——材料的比热[J/（kg·K）]；
Q——材料吸收或放出的热量（J）；
m——材料的质量（k g）；
T-T——材料加热或冷却前后的温差（K）。21
比热的大小直接反映出材料吸热或放热能力的大小。比热大的材料，能在热流变动或采暖设备供热不均匀时缓和室内的温度波动。不同的材料其比热不同，即使是同种材料，由于物态不同，其比热也不同。1.2 材料的力学性质
材料的力学性质是指材料在外力作用下的变形性和抵抗破坏的性质，它是选用建筑材料时首先要考虑的基本性质。
1.2.1 材料的强度
材料在荷载（外力）作用下抵抗破坏的能力称为材料的强度。
当材料受到外力作用时，其内部就产生应力，荷载增加，所产生的应力也相应增大，直至材料内部质点间结合力不足以抵抗所作用的外力时，材料即发生破坏。材料发生破坏时，达到应力极限，这个极限应力值就是材料的强度，又称极限强度。
强度的大小直接反映材料承受荷载能力的大小。由于荷载作用形式不同，材料的强度主要有抗压强度、抗拉强度、抗弯（抗折）强度及抗剪强度等。
试验测定的强度值除受材料本身的组成、结构、孔隙率大小等内在因素的影响外，还与试验条件有密切关系，如试件形状、尺寸、表面状态、含水率、环境温度及试验时加荷速度等。为了使测定的强度值准确且具有可比性，必须按规定的标准试验方法测定材料的强度。
材料的强度等级是按照材料的主要强度指标划分的级别。掌握材料的强度等级，对合理选择材料、控制工程质量是十分重要的。
对不同材料要进行强度大小的比较可采用比强度。比强度是指材料的强度与其体积密度之比，它是衡量材料轻质高强的一个主要指标。以钢材、木材和混凝土为例，见表1-1所示。表1-1 钢材、木材和混凝土的强度比较
由表1-1中数值可见，松木的比强度最大，是轻质高强材料；混凝土的比强度最小，是质量大而强度较低的材料。
1.2.2 材料的弹性与塑性
材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，能够完全恢复原来形状的性质称为弹性，这种变形称为弹性变形，其值的大小与外力成正比；不能自动恢复原来形状的性质称为塑性，这种不能恢复的变形称为塑性变形，塑性变形属永久性变形。
完全弹性的材料是没有的。一些材料在受力不大时只产生弹性变形，而当外力达到一定限度后即产生塑性变形，如低碳钢。很多材料在受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，如普通混凝土。
1.2.3 材料的脆性与韧性
材料受外力作用，当外力达到一定限度时，材料发生突然破坏，且破坏时无明显塑性变形，这种性质称为脆性，具有脆性的材料称为脆性材料。脆性材料的抗压强度远大于其抗拉强度，因此其抵抗冲击荷载或震动荷载作用的能力很差。建筑材料中大部分无机非金属材料均为脆性材料，如混凝土、玻璃、天然岩石、砖瓦、陶瓷等。
材料在冲击荷载或震动荷载作用下能吸收较大的能量，同时产生较大的变形而不破坏的性质称为韧性。材料的韧性用冲击韧性指标表示。
在建筑工程中，对于要求承受冲击荷载和有抗震要求的结构，如吊车梁、桥梁、路面等所用材料，均应具有较高的韧性。1.3 材料的耐久性
材料在使用过程中能长久保持其原有性质的能力，称为耐久性。
材料在使用过程中，除受到各种外力作用外，还长期受到周围环境因素和各种自然因素的破坏作用。这些破坏作用主要有以下几个方面：（1）物理作用。包括环境温度、湿度的交替变化，即冷热、干湿、冻融等循环作用。材料经受这些作用后，将发生膨胀、收缩或产生应力，长期地反复作用，将使材料逐渐被破坏。（2）化学作用。包括大气和环境水中的酸、碱、盐等溶液或其他有害物质对材料的侵蚀作用，以及日光、紫外线等对材料的作用。（3）生物作用。包括菌类、昆虫等的侵害作用，导致材料发生腐朽、虫蛀等而破坏。（4）机械作用。包括荷载的持续作用，交变荷载对材料引起的疲劳、冲击、磨损等。
耐久性是对材料综合性质的一种评述，它包括抗冻性、抗渗性、抗风化性、抗老化性、耐化学腐蚀性等内容。对材料耐久性进行可靠的判断需要很长的时间，一般采用快速检验法，这种方法是模拟实际使用条件，将材料在实验室进行有关的快速实验，根据实验结果对材料的耐久性作出判定。在实验室进行快速实验的项目主要有冻融循环、干湿循环、碳化等。
提高材料的耐久性，对节约建筑材料、保证建筑物长期正常使用、减少维修费用、延长建筑物使用寿命等均具有十分重要的意义。
复习思考题1.简述材料的实际密度、堆积密度、体积密度的区别和联系。2.叙述吸水性与吸湿性的概念。3.材料在使用过程中主要受到哪些破坏？334.某工地所用卵石材料的密度为2.65g/cm，表观密度为2.61g/cm，堆积3密度为1680kg/m，计算此石子的孔隙率与空隙率。2 气硬性胶凝材料本章提要：了解胶凝材料的分类以及气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料的区别；熟悉三种常用的气硬性胶凝材料（石灰、石膏、水玻璃）的生产、凝结硬化，掌握其技术指标和性能，并能较熟练地运用于建筑工程中。
建筑上能将砂、石、砖、混凝土砌块等散粒状或块状材料黏结成为整体且具有一定强度的材料，称为胶凝材料。
根据化学成分不同，胶凝材料分为无机胶凝材料和有机胶凝材料两大类。而无机胶凝材料根据硬化条件的不同，分为气硬性胶凝材料和水硬性胶凝材料。气硬性胶凝材料是指只能在空气中凝结硬化和发展其强度，如石灰、石膏、水玻璃和菱苦土等。水硬性胶凝材料是指不仅能在空气中凝结硬化，而且能更好地在水中硬化，保持和发展其强度，如各种水泥等。因此，气硬性胶凝材料只适用于干燥环境中；水硬性胶凝材料既适用于干燥环境，又适用于潮湿环境及水中。2.1 石灰
石灰是生石灰、消石灰、水硬性石灰的统称，是一种古老的建筑材料，因其原料分布广泛，生产工艺简单，成本低廉，使用方便，所以一直得到广泛应用。
2.1.1 生石灰的生产
生石灰的主要原材料是以含碳酸钙为主要成分的石灰石、白垩等天然岩石，将这些原料在高温下煅烧即得生石灰，其主要成分是氧化钙：
在煅烧过程中，煅烧温度宜控制在1000℃左右，此煅烧温度下生成的产品是正火石灰；如果火候控制不好，煅烧温度过高或时间过长，会生成过火石灰；煅烧温度过低或时间过短，会生成欠火石灰。正火石灰具有多孔结构，内部孔隙率大，表观密度小，与水作用速度快；欠火石灰中CaO的含量低，会降低石灰的质量等级和利用率；过火石灰孔隙率小，表观密度大，结构密实，表面被熔融的黏土杂质形成的玻璃物质所包裹，熟化极其缓慢，当这种未充分熟化的石灰用于工程中如抹灰后，会吸收空气中大量的水蒸气，继续熟化，体积膨胀，致使墙面砂浆隆起、开裂，严重影响工程质量。
2.1.2 生石灰的熟化
块状生石灰CaO在使用前都要加水熟化（又称消解）生成熟石灰Ca（OH）（又称消石灰），即：2
CaO+HO→Ca OH（）2+64.8kJ （2-2）2
生石灰在熟化过程中放出大量的热，并且体积迅速增加1～2.5倍；一般煅烧良好、杂质小、CaO含量高的生石灰熟化较快，放热量和体积增大也较多。
根据熟化时加水量的多少，可熟化成石灰膏和消石灰粉。
将生石灰放在化灰池中，用过量的水熟化成石灰乳，然后经筛网流入储灰池，经沉淀去除多余的水分得到的膏状物即为石灰膏。为消除过火石灰对工程的危害，在使用前必须使其完全熟化或将其去除。常采用的方法是在熟化过程中首先将较大的过火石灰块利用筛网等去除（同时也为了去除较大的欠火石灰块，以改善石灰质量），之后将其放于储灰池中存放两周以上，即“陈伏”，使较小的过火石灰块熟化。在陈伏期间，需防止石灰碳化，应在其表面保留一定厚度的水层，以隔绝空气。
消石灰粉是将生石灰加适量的水熟化而形成的，加水量以能充分熟化而又不过湿成团为度。
块状生石灰使用前一定要熟化，如果将块状生石灰直接磨细成生石灰粉，则可以不预先熟化、陈伏而直接应用。因为生石灰粉细度高、与水接触的表面积大，因而水化反应速度快，且水化时体积膨胀均匀，避免了局部膨胀过大。
2.1.3 石灰的硬化
石灰浆体在空气中逐渐变硬的过程即为石灰的硬化，主要是由结晶和碳化这两个过程同时进行来完成的。
1）结晶过程
石灰浆体中的游离水分逐渐蒸发，Ca（OH）逐渐从饱和溶液中2结晶析出，形成结晶结构网，从而获得一定的强度。
2）碳化过程
Ca（OH）与空气中的CO和HO作用，生成碳酸钙而使石灰硬222化。其反应式如下：
Ca（OH）2+CO+nHO→CaCO+（n+1）HO （2-3）2232
这个反应实际上是CO和HO反应结合形成HCO，再与2223Ca（OH）作用生成CaCO。碳化过程是从膏体表层开始，逐渐深入23到内部，但表层生成的CaCO阻碍了CO的深入，也影响了内部水分32的蒸发，所以石灰的硬化速度很缓慢。
从以上的硬化过程可以看出，这两个过程都需在空气中才能进行，也只有在空气中才能继续发展并提高其强度，所以石灰是气硬性胶凝材料，只能用于干燥环境的建筑工程中。
2.1.4 石灰的技术要求
按石灰中氧化镁含量将生石灰、生石灰粉分为钙质石灰（MgO＜5%）和镁质石灰（MgO≥5%）；按消石灰中氧化镁含量将消石灰粉分为钙质消石灰粉（MgO＜4%）、镁质消石灰粉（4%≤MgO＜24%）和白云石消石灰粉（24%≤MgO＜30%）。根据建材行业标准，将石灰粉分为优等品、一等品、合格品三个等级。各等级要求见表2-1、表2-2、表2-3所示。表2-1 建筑生石灰技术指标（JC/T479—92）
注：①氧化钙、氧化镁含量为有效成分含量；
②未消化残渣含量即欠火石灰、过火石灰及杂质含量；
③CO含量反映石灰的欠火程度；2
④产浆量指1kg生石灰形成石灰膏的升数L，它间接反映了石灰中有效胶凝物质的含量。表2-2 建筑生石灰粉技术指标（JC/T480—92）
注：细度要求主要是保证消石灰粉充分发挥其活性。表2-3 建筑消石灰粉技术指标（JC/T481—92）
注：①游离水含量的控制主要是防止消石灰粉黏结成团；
②体积安定性是用来表示在消石灰中是否存在过火石灰，该指标主要用来防范过火石灰的危害。
2.1.5 常用建筑石灰的品种
按石灰加工方法不同，石灰有以下五个产品：
1）生石灰块
直接高温煅烧所得的块状生石灰，其主要成分是CaO。生石灰块放置时间太久，容易熟化成熟石灰粉。为了防止受潮，生石灰块不宜储存过久，一般是运到现场后立即熟化成石灰浆，将储存期变为陈伏期。
2）磨细生石灰粉
将生石灰块破碎、磨细并包装成袋的生石灰粉，它克服了一般生石灰熟化时间较长，且在使用前必须陈伏等缺点，在使用前不用提前熟化（陈伏），直接加水即可使用。使用磨细生石灰粉不仅能提高施工效率，节约场地，改善施工环境，加快硬化速度，而且还可以提高石灰的利用率；但其缺点是成本高，且不易储存。
3）消石灰粉
消石灰粉是由生石灰加适量水充分熟化所得的粉末，主要成分是Ca（OH）。2
4）石灰膏
石灰膏是由消石灰和一定量的水组成的具有一定稠度的膏状物，其主要成分是Ca（OH）和HO。22
5）石灰乳
用过量的水冲淡石灰膏即得石灰乳，主要成分是Ca（OH）和2HO。2
2.1.6 石灰的特性和应用
1）石灰的特性（1）凝结硬化缓慢，强度低。从石灰的凝结硬化过程可知，石灰的凝结硬化速度是很缓慢的。生石灰熟化时的理论需水量较小，为了使石灰浆具有良好的可塑性，常常加入较多的水，多余水分在硬化后蒸发，会留下大量孔隙，使硬化石灰的密实度较小，强度低。（2）可塑性与保水性好。生石灰熟化为石灰浆时，能形成颗粒极细（粒径为0.001mm）呈胶体分散状态的氢氧化钙粒子，表面吸附一层厚厚的水膜，使颗粒间的摩擦力减小，因而具有良好的可塑性和保水性。（3）硬化后体积收缩较大。石灰浆中存在大量的游离水，硬化后需蒸发大量水分，导致石灰内部毛细管失水收缩，引起显著的体积收缩变形。这种收缩变形使得硬化石灰体产生开裂，因此，石灰浆不宜单独使用，通常工程施工中要掺入一定量的集料（砂子）或纤维材料（麻刀、纸筋等）。（4）吸湿性强，耐水性差。生石灰具有很强的吸湿性，是传统的干燥剂。生石灰水化后的产物其主要成分Ca（OH）能溶解在水中，2若长期受潮或被水侵蚀，会使硬化的石灰溃散，所以石灰的耐水性差，不宜用于潮湿的环境中及受水侵蚀的部位。
2）石灰的应用
石灰是建筑工程中面广量大的建筑材料之一，其常见的用途如下：（1）配制建筑砂浆和石灰乳涂料。石灰和砂或麻刀、纸筋配制成石灰砂浆、麻刀灰、纸筋灰，主要用于内墙、顶棚的抹面砂浆；石灰与水泥和砂可配制成混合砂浆，主要用于墙体砌筑或抹面之用。石灰膏加水稀释成石灰乳涂料，可以用于内墙和天棚粉刷。（2）配制三合土和灰土。三合土是采用熟石灰粉、黏土和砂子拌和均匀并夯实。灰土是用生石灰粉和黏土按一定的比例加水拌和经夯实而成。夯实后的三合土和灰土广泛用于建筑物的基础、路面或地面垫层。其强度比石灰和黏土都高，因为黏土颗粒表面少量的活性SiO和AlO与石灰发生化学反应，生成水化硅酸钙和水化铝酸钙等223不溶于水的水化产物。图2-1 灰土桩（3）制作碳化石灰板。碳化石灰板是将磨细生石灰、纤维状填料（如玻璃纤维等）或轻质骨料（如矿渣等）经搅拌、成型，然后人工碳化而成的一种轻质板材。这种板材能锯、刨、钉，适宜做非承重内墙板、天花板等。（4）生产硅酸盐制品。以石灰和硅质材料（如石英砂、粉煤灰等）等为原料，加水拌和成型，经蒸养或蒸压处理等工序而制成的建筑材料，统称为硅酸盐制品，如粉煤灰砖、灰砂砖、加气混凝土砌块等。图2-2 蒸压加气混凝土砌块2.2 建筑石膏
石膏是一种传统的气硬性胶凝材料，具有比石灰更为优良的建筑性能。我国的石膏资源极其丰富，分布很广，自然界存在的石膏主要有天然二水石膏（CaSO·2HO，又称生石膏或软石膏）、天然无水42石膏（CaSO，又称硬石膏）和各种工业废渣（化学石膏）。以这些4原料制成的建筑石膏及其制品具有许多优良性能，如轻质、耐火、隔音、绝热等，是一种比较理想的高效节能的材料。
2.2.1 石膏的生产与种类
1）石膏的生产
生产建筑石膏的原料主要是天然二水石膏和一些含有CaSO·42HO的化工副产品及废渣。通常将这些原料在不同压力和温度下煅2烧，再经磨细而得。由于煅烧条件不同，得到的产品的品种、结构、性质、用途各不相同。
2）石膏的品种（1）建筑石膏
将天然二水石膏CaSO·2HO加热脱水而得，反应式如下：42
生产的产物称为β型半水石膏，将此熟石膏磨细得到的白色粉末称为建筑石膏。色白、杂质含量很少、粒度很细的β型半水石膏，亦称模型石膏，比建筑石膏更细，常用于陶瓷的制坯工艺，少量用于装饰浮雕。（2）高强石膏
将天然二水石膏在0.13MPa的水蒸气（125℃）中脱水，得到的是晶粒较粗大、使用时拌和用水量少的半水石膏，称为α型半水石膏，将此熟石膏磨细得到的白色粉末称为高强石膏。高强石膏表面积小，需水量比建筑石膏少，因此该石膏硬化后结构密实、强度高，但其生产成本高。主要用于室内高级抹灰、装饰制品和石膏板等。掺入防水剂，可用于湿度较高的环境中。（3）粉刷石膏
粉刷石膏是由β型半水石膏和其他石膏（硬石膏或煅烧黏土质石膏）、各种外加剂（木质磺酸钙、柠檬酸、酒石酸等缓凝剂）及附加材料（石灰、烧黏土、氧化铁红等）所组成的一种新型抹灰材料。具有表面坚硬、光滑细腻、不起灰的优点，具有可调节室内空气湿度、提高舒适度的功能，因此是一种大有发展前途的抹灰材料。
石膏的品种很多，但在建筑中应用最多、用途最广的是建筑石膏，本节主要介绍建筑石膏的性能及其应用。
2.2.2 建筑石膏的凝结与硬化
建筑石膏与水拌和后，即与水发生化学反应（简称为水化），反应式如下：
由于二水石膏的溶解度比半水石膏小许多，所以二水石膏胶体微粒不断从过饱和溶液（即石膏浆体）中沉淀析出。二水石膏的析出促使上述水化反应继续进行，直至半水石膏全部转化为二水石膏为止。
石膏浆体中的水分因水化和蒸发而减少，浆体的稠度逐步增加，胶体微粒间的搭接、黏结逐步增强，便浆体逐渐失去可塑性，这一过程称为凝结。随着水化的进一步进行，胶体凝聚并逐步转变为晶体，且晶体间相互搭接、交错、共生，使浆体完全失去可塑性，产生强度，这一过程称为硬化。最终成为具有一定强度的人造石材。
浆体的凝结硬化是一个连续进行的过程。将浆体开始失去可塑性的状态称为浆体初凝，从加水到初凝的时间称为初凝时间；浆体完全失去可塑性，并开始产生强度的过程称为浆体终凝，从加水到终凝的时间称为终凝时间。
2.2.3 建筑石膏的技术要求
建筑石膏的技术要求有强度、细度和凝结时间，并按强度和细度划分为优等品、一等品和合格品三个等级。具体指标见表2-4所示。表2-4 建筑石膏等级标准（GB 9776—1988）
注：指标中有一项不合格者，应予以降级或报废。
2.2.4 建筑石膏的特性
1）凝结硬化很快，强度较低
建筑石膏加水拌和以后，几分钟内便开始失去可塑性，半小时内完全失去可塑性而产生强度。这对成型带来一定的困难，为满足施工操作的要求，常掺入一些缓凝剂，如硼砂或柠檬酸、亚硫酸盐、动物胶（需用石灰处理）等。
2）硬化时体积略微膨胀
建筑石膏在凝结硬化时具有微膨胀性，其体积一般膨胀0.5%～1.0%。这种特性可使硬化成型的石膏制品表面光滑、干燥时不开裂、制品造型棱角清晰、形状饱满，有利于制造复杂花纹图案的石膏装饰制品。
3）多孔性
建筑石膏水化时的理论需水量仅为其质量的18.6%，但施工中为了保证浆体具有足够的流动性，其实际加水量常常达到60%～80%，大量的水分会自由蒸发而留下许多孔隙。因此，石膏制品具有孔隙率大、表观密度小、保温隔热和吸声性能好等优点。
4）耐水性、抗冻性差
因孔隙率大，并且二水石膏可以微溶于水，其软化系数Kp为0.2～0.3，是不耐水材料。若石膏制品吸水后受冻，会因孔隙中水分结冻膨胀而破坏。
5）防火性好，但耐火性差
建筑石膏硬化后的主要成分是二水石膏，当遇到火时，结晶水吸收大量热量，并在制品表面形成蒸汽幕，可有效地防止火势的蔓延。但二水石膏脱水后强度下降，因此耐火性差。
6）环境的调节性
建筑石膏是一种无毒无味、不污染环境、对人体无害的建筑材料。由于其制品具有多孔结构，且其热容量较大、吸湿性强、保温隔热性能好，当室内温度、湿度发生变化时，由于制品的“呼吸”作用，可使环境的温度和湿度得到一定的调节。
2.2.5 建筑石膏的应用
1）室内粉刷和抹灰
石膏洁白细腻，用于室内粉刷、抹灰，具有良好的装饰效果。经石膏抹灰后的内墙面、顶棚，还可直接涂刷涂料、粘贴壁纸。粉刷石膏是在建筑石膏中掺加可优化抹灰性能的辅助性材料及外加剂等配制而成的一种新型内墙抹灰材料，该抹灰表面光滑、细腻、洁白，具有防火、吸声、施工方便、黏结牢固等特点。
2）艺术装饰石膏制品
艺术装饰石膏制品以优质建筑石膏粉为基料，配以纤维增强材料、胶黏剂等，与水拌制成均匀的料浆，浇注在具有各种造型、图案、花纹的模具内，经硬化、干燥、脱模而成。
艺术装饰石膏制品主要是根据室内装饰设计的要求而加工制作的。制品主要包括浮雕艺术石膏线角、线板、花角、艺术顶棚、灯圈、灯座、罗马柱、花饰等。图2-3 石膏装饰制品
3）建筑石膏制品
建筑石膏制品的种类较多，我国生产的建筑石膏制品主要有纸面石膏板、装饰石膏板、纤维石膏板、吸声穿孔石膏板、石膏砌块等。
纸面石膏板主要用于室内隔断和吊顶，要求环境干燥，不适用于厨房、卫生间以及空气相对湿度大于70%的潮湿环境。
装饰石膏板主要用于建筑物室内墙面和吊顶装饰。
纤维石膏板综合性能优越，除具有纸面石膏板的优点外，还具有质轻、高强、耐水、隔声、韧性好等特点，并可进行加工，施工简便。
吸声穿孔石膏板主要用于室内吊顶和墙体的吸声结构，在潮湿环境中使用或对耐火性能有较高要求时则应采用相应的防潮、耐水或耐火基板。吸声穿孔石膏板除具有一般石膏板的优点外，还能吸声降噪，明显改善建筑物的室内音质、音响效果，改善生活环境和劳动条件。图2-4 吸声穿孔石膏板
石膏砌块具有石膏制品的各种优点，一般用于房屋的墙体材料，其施工方便，墙面平整，保温、防水性能好。2.3 水玻璃
水玻璃是由不同比例的碱金属和二氧化硅所组成的一种能溶于水的硅酸盐，俗称泡花碱。最常用的是硅酸钠（NaO·nSiO）、硅酸钾22（KO·nSiO）。水玻璃是一种气硬性胶凝材料，在水中溶解的难易随22水玻璃模数n（SiO与碱金属氧化物之比）的大小而异。n越大，水玻2璃黏度越大，较难溶于水，但较易硬化。建筑上常用的水玻璃的模数为2.6～2.8。
2.3.1 水玻璃的凝结硬化
水玻璃可吸收空气中的二氧化碳，生成二氧化硅凝胶（又称为硅酸凝胶），凝胶脱水转变为二氧化硅而硬化：
NaO·nSiO+CO+mHO→NaCO+nSiO·mHO （2-6）22222322
为加速硬化，促使硅酸凝胶析出，常加入促硬剂（硬化剂）氟硅酸钠，适宜用量为水玻璃质量的12%～15%。如掺量太少，不但硬化慢、强度低，而且未经反应的水玻璃易溶于水，导致耐水性差；但掺量过多，又会引起凝结过速，使施工困难，而且渗透性增大，强度较低。
2.3.2 水玻璃的技术性能
1）黏结力强，强度较高
水玻璃具有良好的胶结能力，硬化后强度较高。此外，水玻璃硬化析出的硅酸凝胶还可堵塞毛细孔隙，从而起到防止水渗透的作用。
2）耐酸性强
硬化后的水玻璃，因其主要成分是SiO，所以能抵抗大多数无机2酸和有机酸的侵蚀。但水玻璃不耐碱性介质的侵蚀。
3）耐热性高
水玻璃在高温下不分解，强度不降低，甚至有所增加，因而具有良好的耐热性能。
2.3.3 水玻璃的应用
根据水玻璃的特性，在建筑工程中水玻璃的应用主要有以下几个方面：
1）配制耐酸、耐热砂浆或混凝土
水玻璃具有很高的耐酸性和耐热性，以水玻璃为胶结材料，加入促硬剂和耐酸、耐热粗细集料，可配制成耐酸、耐热砂浆或混凝土。
2）加固地基
将液体水玻璃和氯化钙溶液交替灌入地下，两种溶液发生化学反应，析出硅酸凝胶，将土壤包裹并填充其孔隙，使土壤固结，从而大大提高地基的承载能力，而且还可以增强地基的不透水性。
3）作为涂刷或浸渍材料
用于涂刷建筑材料（天然石材、混凝土及硅酸盐制品）表面，可提高材料的密实度、强度和抗风化能力。需注意：水玻璃不能涂刷石膏制品，因为硅酸钠与硫酸钙发生反应生成硫酸钠，并在制品孔隙中结晶，体积会显著膨胀，导致制品破坏。
复习思考题1.何谓气硬性胶凝材料？何谓水硬性胶凝材料？它们之间有什么区别？2.过火石灰、欠火石灰对石灰的性能有什么影响？如何消除？3.简述生石灰和消石灰的主要成分。它们有哪些技术性质？4.生石灰块使用前为什么要陈伏？5.为什么用不耐水的石灰拌制成的灰土、三合土具有一定的耐水性？6.为什么说建筑石膏是一种较好的室内装饰材料？7.简述水玻璃的主要性质和用途。3 水泥本章提要：熟悉硅酸盐水泥的矿物组成，了解其硬化机理；熟练掌握硅酸盐水泥等几种通用水泥的性能特点、相应的检测方法及使用特点；了解铝酸盐水泥及其他特性水泥和专用水泥的主要性能和使用特点。
水泥呈粉末状，当它加水混合后成为可塑性浆体，经一系列物理化学作用凝结硬化变成坚硬石状体，并能将散粒状材料胶结成为整体。水泥既能在空气中硬化，又能更好的在水中硬化，保持并发展强度，是典型的无机水硬性胶凝材料。
水泥是最主要的建筑材料之一，广泛应用于工业与民用建筑、交通、水利电力、海港和国防工程。水泥可以与骨料及增强材料制成混凝土、钢筋混凝土、预应力混凝土构件，也可配制砌筑砂浆、装饰、抹面、防水砂浆用于建筑物砌筑、抹面和装饰等。
水泥的发展历史可以追溯到18世纪，当时人们开始利用天然的水泥岩（黏土含量为20%～25%的石灰石）煅烧、磨细生产天然水泥，后来利用石灰石和一定量的黏土磨细、煅烧生产水硬性的石灰。直到1824年，英国建筑工人阿斯普丁（Aspdin）申请了生产波特兰水泥（Portland Cement，我国称为硅酸盐水泥）的专利，并于1825—1843年大规模地用于修建泰晤士河的隧道工程中，水泥才得到日益普遍的应用和发展。我国从1876年开始生产水泥，1985年我国水泥产量达到1.5亿吨，跃居世界第一，至今仍一直保持总产量第一的地位。
为满足各种土木工程的需要，水泥的品种发展很快。如今水泥品种繁多，按其性能和用途不同，水泥可分为通用硅酸盐水泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥等；专用水泥，如道路硅酸盐水泥、砌筑水泥、油井水泥等；特性水泥，如快硬硅酸盐水泥、低热水泥、抗硫酸盐水泥、膨胀水泥等。按其主要矿物组成，可分为硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥等。
水泥的品种虽然很多，但是在常用的水泥中，硅酸盐水泥是最基本的。因此，本章以硅酸盐水泥为主要内容，在其基础上对其他几种常用水泥作简要介绍。3.1 硅酸盐水泥
凡以适当成分的生料（主要含CaO、SiO、AlO、FeO），按22323适当比例磨成细粉烧至熔融所得的以硅酸钙为主要成分的矿物称为硅酸盐水泥熟料，由此熟料和适量的石膏、混合材料制成的水硬性胶凝材料，称为通用硅酸盐水泥。通用硅酸盐水泥包括硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥，各品种的组分和代号应符合表3-1的规定。表3-1 通用硅酸盐水泥的组分应符合的规定
硅酸盐水泥是硅酸盐类水泥的一个基本品种，其他品种的硅酸盐类水泥都是在它的基础上加入一定量的混合材料或适当改变熟料中的矿物成分的含量而制成的。
国家标准《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》（GB 175—1999）对硅酸盐水泥的定义是：凡由硅酸盐水泥熟料、0～5%石灰石或粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为硅酸盐水泥（即国外通称的波特兰水泥）。硅酸盐水泥分两种类型，不掺加混合材料的称I型硅酸盐水泥，代号P·Ⅰ。在硅酸盐水泥熟料粉磨时掺入不超过水泥质量5%的石灰石或粒化高炉矿渣混合材料的称 Ⅱ型硅酸盐水泥，代号P·Ⅱ。
3.1.1 硅酸盐水泥的生产及成分
硅酸盐水泥的原材料主要是石灰质原料和黏土质原料。石灰质原材料主要提供CaO，可以采用石灰石、白垩、石灰质凝灰岩和泥灰岩等。黏土质原料主要提供SiO和AlO及少量的FeO，当FeO不能2232323满足配合料的成分要求时，需要校正原料铁粉或铁矿石来提供。有时也需要硅质校正原料，如砂岩、粉砂岩等补充SiO。2
硅酸盐水泥是以几种原材料按一定比例混合后磨细制成生料，然后将生料送入回转窑或立窑煅烧，煅烧后得到以硅酸钙为主要成分的水泥熟料，再与适量石膏共同磨细，最后得到硅酸盐水泥成品。概括地讲，硅酸盐水泥的主要生产工艺过程为“两磨”（磨细生料、磨细水泥）、“一烧”（生料煅烧成熟料）。
硅酸盐水泥的生产工艺流程如图3-1所示。图3-1 硅酸盐水泥的生产工艺流程
水泥熟料中的主要矿物成分为硅酸三钙（3CaO·SiO，简写为2CS）、硅酸二钙（2CaO·SiO，简写为CS）、铝酸三钙（3CaO·322AlO，简写为CA）和铁铝酸四钙（4CaO·AlO·FeO，简写为2332323CAF），以及少量有害的游离氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、氧4化钾（KO）、氧化钠（NaO）与三氧化硫（SO）等成分。硅酸盐223水泥熟料中主要矿物组成见表3-2所示。表3-2 硅酸盐水泥熟料中主要矿物组成
3.1.2 硅酸盐水泥的水化硬化
水泥加水拌和后形成具有可塑性的水泥浆，经过一定的时间，水泥浆体逐渐变稠失去塑性，但还不具备强度，这一过程称为水泥的凝结。随着时间的延续，强度逐渐增加，形成坚硬的水泥石，这个过程称为水泥的硬化。凝结与硬化是人为划分的两个阶段，实际上它们是水泥浆体中发生的一种连续而复杂的物理化学变化过程。
1）硅酸盐水泥的水化
熟料矿物与水进行的化学反应简称为水化反应。当水泥颗粒与水接触后，其表面的熟料矿物成分开始发生水化反应，生成水化产物并放出一定热量。（1）硅酸三钙
在常温下，CS水化反应可大致用下列方程式表示：3
2（3CaO·SiO）+6HO→3CaO·2SiO·3HO+3Ca（OH） 22222（3-1）
生成的产物水化硅酸钙（3CaO·2SiO·3HO）中CaO/SiO（称222为钙硅比）的真实比例和结合水量与水化条件及水化龄期等有关。水化硅酸钙几乎不溶于水，而以胶体微粒析出，并逐渐凝聚成为凝胶，通常将这些成分不固定的水化硅酸钙称为C—S—H凝胶。
C—S—H凝胶尺寸很小，具有巨大的内比表面积，凝胶粒子间存在范德华力和化学结合键，由它构成的网状结构具有很高的强度，所以硅酸盐水泥的强度主要是由C—S—H凝胶提供的。
水化生成的Ca（OH）在溶液中的浓度很快达到过饱和，以六方2晶体析出。Ca（OH）的强度、耐水性和耐久性都很差。2（2）硅酸二钙
CS水化反应速度慢，放热量小，虽然水化产物与硅酸三钙相同，2但数量不同，因此硅酸二钙早期强度低，但后期强度高。其水化反应方程式为：
2（2CaO·SiO）+4HO→3CaO·2SiO·3HO+Ca（OH） 22222（3-2）（3）铝酸三钙
CA水化反应迅速，水化放热量很大，生成水化铝酸三钙。其水3化反应方程式为：
3CaO·AlO+6HO→3CaO·AlO·6HO （3-3）232232
水化铝酸三钙为立方晶体。在液相中氢氧化钙浓度达到饱和时，铝酸三钙还发生如下水化反应：
3CaO·AlO+Ca（OH）+12HO→4CaO·AlO·13HO （3-4）2322232
水化铝酸四钙为六方片状晶体。在氢氧化钙浓度达到饱和时，其数量迅速增加，使得水泥浆体加水后迅速凝结，来不及施工。因此，在硅酸盐水泥生产中，通常加入2%～3%的石膏，调节水泥的凝结时间。水泥中的石膏迅速溶解，与水化铝酸钙发生反应，生成针状晶体的高硫型水化硫铝酸钙（3CaO·AlO·3CaSO·31HO，又称钙矾2342石），沉积在水泥颗粒表面，形成了保护膜，延缓了水泥的凝结时间。当石膏耗尽时，铝酸三钙还会与钙矾石反应生成单硫型水化硫铝酸钙（3CaO·AlO·CaSO·12HO）。2342（4）铁铝酸四钙
CAF与水反应，生成立方晶体的水化铝酸三钙和胶体状的水化4铁酸一钙。
4CaO·AlO·FeO+7HO→3CaO·AlO·6HO+GaO·FeO·HO23232232232 （3-5）
在有氢氧化钙或石膏存在时，CAF将进一步水化生成水化铝酸4钙和水化铁酸钙的固溶体或水化硫铝酸钙和水化硫铁酸钙的固溶体。
水化物中CaO与酸性氧化物（如SiO或AlO）的比值称为碱223度，一般情况下硅酸盐水泥水化产生的水化物为高碱性水化物。如果忽略一些次要的和少量的成分，硅酸盐水泥与水作用后，生成的主要水化产物是：水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶，氢氧化钙、水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体。在完全水化的水泥石中，水化硅酸钙约占50%，氢氧化钙约占25%。
2）硅酸盐水泥的凝结与硬化
硅酸盐水泥的凝结硬化过程，按照水化放热曲线（或水化反应速度）和水泥浆体结构的变化特征分为以下四个阶段：（1）初始反应期
硅酸盐水泥加水拌和后，水泥颗粒分散于水中，形成水泥浆，水泥颗粒表面的熟料，特别是CA迅速水化，在石膏条件下形成钙矾石，3并伴随有显著的放热现象，此为水化初始反应期，时间只有5～10min。此时，水化产物不是很多，它们相互之间的引力比较小，水泥浆体具有可塑性。由于各种水化产物的溶解度都很小，不断地沉淀析出，初始阶段水化速度很快，来不及扩散，于是在水泥颗粒周围析出胶体和晶体（水化硫铝酸钙、水化硅酸钙和氢氧化钙等），逐渐围绕着水泥颗粒形成一水化物膜层。（2）潜伏期
水泥颗粒的水化不断进行，使包裹水泥颗粒表面的水化物膜层逐渐增厚。膜层的存在减缓了外部水分向内渗入和水化产物向外扩散的速度，因而减缓了水泥的水化，水化反应和放热速度减慢。在潜伏期，水泥颗粒间的水分可渗入膜层与内部水泥颗粒进行反应，所产生的水化产物使膜层向内增厚，同时水分渗入膜层内部的速度大于水化产物透过膜层向外扩散的速度，造成膜层内外浓度差，形成了渗通压，最终会导致膜层破裂，水化反应加速，潜伏期结束。因为此段时间水化产物不够，水泥颗粒仍是分散的，水泥的流动性基本不变。此段时间一般持续30～60min。（3）凝结期
从硅酸盐水泥的水化放热曲线看，放热速度加快，经过一定的时间后，达到最大放热峰值。膜层破裂以后，周围饱和程度较低的溶液与尚未水化的水泥颗粒内核接触，再次使反应速度加快，直至形成新的膜层。
水泥凝胶体膜层的向外增厚以及随后的破裂、扩展，使水泥颗粒之间原来被水所占的空隙逐渐减小，而包有凝胶体的颗粒则通过凝胶体的扩展而逐渐接近，以至在某些点相接触，并以分子键相连接，构成比较疏松的空间网状的凝聚结构。有外界扰动时（如振动），凝聚结构破坏，撤去外界扰动，结构又能够恢复，这种性质称为水泥的触变性。触变性随水泥的凝聚结构的发展将丧失。凝聚结构的形成使得水泥开始失去塑性，此时为水泥的初凝。初凝时间一般为1～3h。
随水化的进行和凝聚结构的发展，固态的水化物不断增加，颗粒间的空间逐渐减少，水化物之间相互接触点数量增加，形成结晶体和凝胶体互相贯穿的凝聚——结晶结构，使得水泥完全失去塑性，同时又是强度开始发展的起点，此时为水泥的终凝。终凝时间一般为3～6h。（4）硬化期
随着水化的不断进行，水泥颗粒之间的空隙逐渐缩小为毛细孔，由于水泥内核的水化，使水化产物的数量逐渐增多，并向外扩展填充于毛细孔中，凝胶体间的空隙越来越小，浆体进入硬化阶段而逐渐产生强度。在适宜的温度和湿度条件下，水泥强度可以持续地增长（6h至若干年）。
水泥颗粒的水化和凝结硬化是从水泥颗粒表面开始的，随着水化的进行，水泥颗粒内部的水化越来越困难，经过长时间水化后（几年，甚至几十年），多数水泥颗粒仍剩余尚未水化的内核。所以，硬化后的水泥石结构是由水泥凝胶体（胶体与晶体）、未水化的水泥内核以及孔隙组成的，它们在不同时期相对数量的变化决定着水泥石的性质。
水泥石强度发展的规律是：3～7d内强度增长最快，28d内强度增长较快，超过28d后强度将继续发展，但非常缓慢。因此一般把3d、28d作为其强度等级评定的标准龄期。
3）水泥石的结构
在水泥水化过程中形成的以水化硅酸钙凝胶为主体，其中分布着氢氧化钙等晶体的结构，通常称为水泥凝胶体。在常温下硬化的水泥石，是由水泥凝胶体、未水化的水泥内核与孔隙所组成。-5
T·C·鲍威尔认为，凝胶是由尺寸很小（1×10-7～1×10 cm）的-7凝胶微粒（胶粒）与位于胶粒之间（1×10-7～3×10cm）的凝胶孔（胶孔）所组成的。
胶孔尺寸仅比水分子尺寸大一个数量级，这个尺寸太小以致不能在胶孔中形成晶核和长成微晶体，因而就不能为水化产物所填充，所以胶孔的孔隙率基本上是个常数，其体积约占凝胶体本身体积的28%，不随水灰比与水化程度的变化而变化。
水泥水化物，特别是C—S—H凝胶具有高度分散性，其中又包含大量的微细孔隙，所以水泥石有很大的内比表面积。采用水蒸气吸2附法测定的内比表面积约2.1×105 m/kg，与未水化的水泥相比提高三个数量级。这样，使水泥具有较高的黏结强度，同时胶粒表面可强烈地吸附一部分水分，此水分与填充胶孔的水分合称为凝胶水。凝胶水的数量随着凝胶的增多而增大。-5
毛细孔的孔径大小不一，一般大于2×10cm。毛细孔中的水分称为毛细水。毛细水的结合力较弱，脱水温度较低，脱水后形成毛细孔。
在水泥浆体硬化过程中，随着水泥水化的进行，水泥石中的水泥凝胶体体积将不断增加，并填充于毛细孔内，使毛细孔体积不断减小，水泥石的结构越来越密实，因而使水泥石的强度不断提高。
拌和水泥浆体时，水与水泥的质量之比称为水灰比。水灰比是影响水泥石结构性质的重要因素。水灰比大时，水化生成的水泥凝胶体不足以堵塞毛细孔，这样不仅会降低水泥石的强度，而且还会降低它的抗渗性和耐久性。如水灰比为0.4时，完全水化时水泥石的孔隙率为29.3%；而水灰比为0.7时，则为50.3%。但对于毛细孔，前者为2.2%，后者为31.0%。因此，后者的强度和耐久性均很低。图3-2 水泥石结构A—未水化的水泥颗粒；B—胶体粒子（C—S—H等）；C—晶体粒子[Ca（OH）等]；2D—毛细孔；E—凝胶孔
4）熟料矿物组成对水泥性能的影响
由上所知，不同熟料矿物与水作用时所表现的性能不同，水泥熟料中各种矿物成分的相对含量变化时，水泥的性质也随之改变，由此可以生产出不同性质的水泥。例如，提高CS的含量，可制成高强度3水泥；提高CS和CA的总含量，可制得快硬早强水泥；降低CA和333CS的含量，则可制得低水化热的水泥（如中热水泥等）。表3-3列出3了各种硅酸盐熟料矿物含量的相对变化参考值。表3-3 水泥熟料矿物特性及其在各种硅酸盐水泥中熟料含量变化的参考值
5）影响水泥水化和凝结硬化的主要因素
影响水泥水化和凝结硬化的直接因素是矿物组成。此外，水泥的水化和凝结硬化还与水泥的细度、拌和用水量、养护温湿度和养护龄期等有关。（1）水泥细度
水泥颗粒的粗细直接影响到水泥的水化和凝结硬化。因为水化是从水泥颗粒表面开始，逐渐深入到内部的。水泥颗粒越细，与水的接触表面积越大，整体水化反应越快，凝结硬化越快。（2）拌和用水量
为使水泥制品能够成型，水泥浆体应具有一定的塑性和流动性，所加入的水一般要远远超过水化的理论需水量。多余的水在水泥石中形成较多的毛细孔和缺陷，影响水泥的凝结硬化和水泥石的强度。（3）养护条件
保持适宜的环境温度和湿度，促使水泥强度增长的措施，称为养护。提高环境温度，可以促进水泥水化，加速凝结硬化，早期强度发展比较快，但温度太高（超过40℃），将对后期强度产生不利的影响。温度降低时，水化反应减慢，当日平均温度低于5℃时，硬化速度严重降低，必须按照冬季施工进行蓄热养护，才能保证水泥制品强度的正常发展。当水结冰时水化停止，而且由于体积膨胀，还会破坏水泥石的结构。
潮湿环境下的水泥石能够保持足够的水分进行水化和凝结硬化，使水泥石强度不断增长。环境干燥时，水分将很快蒸发，水泥浆体中缺乏水泥水化所需要的水分，水化不能正常进行，强度也不能正常发展。同时，水泥制品失水过快，可能导致其出现收缩裂缝。（4）养护龄期
水泥的水化和凝结硬化在较长时间内是一个不断进行的过程。早期水化速度快，强度发展也比较快，以后逐渐减慢。（5）其他因素
在水泥中添加少量物质，能使水泥的某些性质发生显著改变，称为水泥的外加剂。其中一些外加剂能显著改变水泥的凝结硬化性能，如缓凝剂可延缓水泥的凝结时间，速凝剂可加速水泥的凝结，早强剂可提高水泥混凝土的早期强度。一般来说，混合材料的加入使得水泥的早期强度降低，但后期强度提高，凝结时间稍微延长。不同品种水泥的强度发展速度不同。
3.1.3 硅酸盐水泥的主要技术性质
1）细度
细度是指粉体材料的粗细程度，通常用筛分析的方法或比表面积的方法来测定。筛分析法以80μm方孔筛的筛余率表示，比表面积法2是以1kg质量材料所具有的总表面积（m/kg）来表示。
水泥颗粒越细，其比表面积越大，与水的接触面越多，水化反应进行得越快、越充分，凝结硬化越快，强度（特别是早期强度）越高。一般认为，粒径小于40μm的水泥颗粒才具有较高的活性，大于100μm时则几乎接近惰性。因此，水泥的细度对水泥的性质有很大的影响。但水泥越细，越易吸收空气中水分而受潮，不利于储存。此外，提高水泥的细度要增加粉磨能耗，降低粉磨设备的生产率，增加成本。
国家标准（GB 175—1999）规定：硅酸盐水泥比表面积应大于2300m/kg。
2）标准稠度及其用水量
在测定水泥的凝结时间、体积安定性等时，为避免出现误差并使结果具有可比性，必须在规定的水泥标准稠度下进行试验。所谓标准稠度，是采用按规定的方法拌制的水泥净浆，在水泥标准稠度测定仪上，当标准试杆沉入净浆并能稳定在距底板（6±1）mm时。其拌和用水量为水泥的标准稠度用水量，按照此时水与水泥质量的百分比计。
水泥的标准稠度用水量主要与水泥的细度及其矿物成分等有关。硅酸盐水泥的标准稠度用水量一般在21%～28%。
3）凝结时间
水泥的凝结时间分为初凝和终凝。初凝时间是指从水泥加水拌和起到水泥浆开始失去塑性所需的时间；终凝时间是指从水泥加水拌和时起到水泥浆完全失去可塑性，并开始具有强度（但还没有强度）的时间。水泥初凝时，凝聚结构形成，水泥浆开始失去塑性，若在水泥初凝后还进行施工，不但由于水泥浆体塑性降低不利于施工成型，而且还将影响水泥内部结构的形成，降低强度。所以，为使混凝土和砂浆有足够的时间进行搅拌、运输、浇注、振捣、成型或砌筑，水泥的初凝时间不能太短；当施工结束以后，则要求混凝土尽快硬化，并具有强度，因此水泥的终凝时间不能太长。
水泥凝结时间的测定，是以标准稠度的水泥净浆，在规定的温度和湿度条件下，用凝结时间测定仪来测定。
国家标准规定：硅酸盐水泥的初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6.5h。4）体积安定性水泥体积安定性是指水泥在凝结硬化过程中体积变化是否均匀。如果水泥在硬化过程中产生不均匀的体积变化，即安定性不良。使用安定性不良的水泥，水泥制品表面将鼓包、起层、产生膨胀性的龟裂等，强度降低，甚至引起严重的工程质量事故。
水泥体积安定性不良是由熟料中含有过多的游离氧化钙、游离氧化镁或渗入的石膏过量等原因所造成的。
熟料中所含的游离CaO和MgO均属过烧，水化速度很慢，在已硬化的水泥石中继续与水反应，体积膨胀，引起不均匀的体积变化，在水泥石中产生膨胀应力，降低了水泥石强度，造成水泥石龟裂、弯曲、崩溃等现象。其反应式为：
CaO+HO→Ca（OH） （3-6）22
MgO+HO→Mg（OH） （3-7）22
若水泥生产中掺入的石膏过多，在水泥硬化以后，石膏还会继续与水化铝酸钙起反应，生成水化硫铝酸钙，体积约增大1.5倍，同样引起水泥石开裂。
国家标准规定用沸煮法来检验水泥的体积安定性。测试方法为雷氏法，也可以用试饼法检验。在有争议时以雷氏法为准。试饼法是用标准稠度的水泥净浆做成试饼，经恒沸3h以后用肉眼观察未发现裂纹，用直尺检查没有弯曲，则安定性合格；反之，为不合格。雷氏法是通过测定雷氏夹中的水泥浆经沸煮3h后的膨胀值来判断的，当两个试件沸煮后膨胀值的平均值不大于5.0mm时，该水泥安定性合格；反之，为不合格。沸煮法起加速氧化钙水化的作用，所以只能检验游离的CaO过多引起的水泥体积安定性不良。
游离MgO的水化作用比游离CaO更加缓慢，必须用压蒸方法才能检验出它是否有危害作用。石膏的危害则需长期浸在常温水中才能发现。
因为MgO和石膏的危害作用不便于快速检验，所以国家标准规定：水泥出厂时，硅酸盐水泥中MgO的含量不得超过5.0%，如经压蒸安定性检验合格，允许放宽到6.0%。硅酸盐水泥中SO的含量不得3超过3.5%。
5）强度
水泥的强度主要取决于水泥熟料矿物组成和相对含量以及水泥的细度，另外还与用水量、试验方法、养护条件、养护时间有关。
水泥强度一般是指水泥胶砂试件单位面积上所能承受的最大外力，根据外力作用方式的不同，把水泥的强度分为抗压强度、抗折强度、抗拉强度等。这些强度之间既有内在的联系，又有很大的区别。水泥的抗压强度最高，一般是抗拉强度的8～20倍，实际建筑结构中主要是利用水泥的抗压强度。
国家标准（GB/T17671—1999）规定：水泥的强度用胶砂试件检验。将水泥和中国ISO标准砂按1:3，水灰比为0.5的比例，以规定的方法搅拌制成标准试件（尺寸为40mm×40mm×160mm），在标准条件下养护至3d和28d，测定两个龄期的抗折强度和抗压强度。根据测定的结果，将硅酸盐水泥分为42.5、42.5R、52.5、52.5R、62.5、62.5R六个强度等级（其中带R的为早强型水泥）。各强度等级的水泥，各龄期的强度不得低于表3-4中的数值。表3-4 各强度等级硅酸盐水泥各龄期的强度值
6）水化热
水泥的水化是放热反应，放出的热量称为水化热。水泥的放热过程可以持续很长时间，但大部分热量是在早期放出，放热对混凝土结构影响最大的也是在早期，特别是在最初3d或7d内。硅酸盐水泥水化热很大，当用硅酸盐水泥来浇注大型基础、桥梁墩台、水利工程等大体积混凝土构筑物时，由于混凝土本身是热的不良导体，水化热积蓄在混凝土内部不易发散，使混凝土内部温度急剧上升，内外温差可达到50～60℃，产生很大的温度应力，导致混凝土开裂，严重影响了混凝土结构的完整性和耐久性。因此，大体积混凝土中一般要严格控制水泥的水化热，有时还应对混凝土结构物采用相应的温控施工措施，如原材料降温、使用冰水、埋冷凝水管及测温和特殊的养护等。
水化热和放热速率与水泥矿物成分及水泥细度有关。各熟料矿物在不同龄期放出的水化热可参见表3-5。由表中可看出，CA和CS的33水化热最大，放热速率也快；CAF水化热中等；CS水化热最小，放42热速度也最慢。由于硅酸盐水泥的水化热很大，因此不能用于大体积混凝土中。表3-5 各主要矿物成分在不同龄期放出的水化热（J/g）
7）不溶物和烧失量
不溶物是指水泥经酸和碱处理后不能被溶解的残余物，它是水泥中非活性组分的反映，主要由生料、混合材和石膏中的杂质产生。国家标准规定：Ⅰ型硅酸盐水泥中的不溶物不得超过0.75%，Ⅱ型不得超过1.50%。
烧失量是指水泥经高温灼烧以后的质量损失率。Ⅰ型硅酸盐水泥中的烧失量不得大于3.0%，Ⅱ型不得大于3.5%。
8）碱含量
硅酸盐水泥除含主要矿物成分以外，还含有少量NaO、KO22等。水泥中的碱含量按NaO+0.658KO的计算值来表示。当用于混凝22土中的水泥碱含量过高，同时骨料具有一定的碱活性时，会发生有害的碱—骨料反应。因此，国家标准规定：若使用活性骨料，用户要求提供低碱水泥时，水泥中碱含量不得大于0.6%或由供需双方商定。
3.1.4 硅酸盐水泥的腐蚀与防止
硅酸盐水泥硬化以后在通常的使用条件下，其强度在几年甚至几十年中仍有提高，并且有较好的耐久性。但在某些腐蚀性介质作用下，强度下降，起层剥落，严重时会引起整个工程结构的破坏。
引起水泥石腐蚀的原因有很多，下面介绍几种典型的腐蚀。
1）软水腐蚀（溶出性侵蚀）
软水是不含或仅含少量钙、镁可溶性盐的水。如雨水、雪水、蒸馏水以及含重碳酸盐很少的河水和湖水等。当水泥石长期与软水接触时，水泥石中的某些水化物按照溶解度的大小依次缓慢地被溶解。在静止的和无压力的水中，水泥石周围的水很快被溶出的Ca（OH）所2饱和，溶出停止，影响的部位仅限于水泥石的表面部位，对水泥石性能基本无不良影响。但在流动水、压力水中，水流不断地将溶出的Ca（OH）带走，降低周围Ca（OH）的浓度。水泥石中水化产物都22必须在一定的石灰浓度的液相中才能稳定存在，低于此极限石灰浓度时，水化产物将会逐步发生分解。各主要水化产物稳定存在时所必需的极限石灰（CaO）浓度是：氢氧化钙约为1.3g/L，水化硅酸三钙稍大于1.2g/L，水化铁铝酸四钙约为1.06g/L，水化硫铝酸钙约为0.045g/L。
各种水化产物与水作用时，Ca（OH）由于溶解度最大，首先被2溶出。在水量不多或无水压的情况下，由于周围的水被溶出的Ca（OH）所饱和，溶出作用很快中止。但在大量水或流动水中，2Ca（OH）会不断溶出，特别是当水泥石渗透性较大而又受压力水作2用时，水不仅能渗入内部，而且还能产生渗流作用，将Ca（OH）溶2解并摄滤出来，因此不仅减小了水泥石的密实度，影响其强度，而且由于液相中Ca（OH）的浓度降低，还会使一些高碱性水化产物向低2碱性转变或溶解。于是水泥石的结构会相继受到破坏，强度不断降低，裂隙不断扩展，渗漏更加严重，最后可能导致整体破坏。
当环境水的水质较硬，环境水中重碳酸盐能与水泥石中的Ca（OH）起作用，生成几乎不溶于水的CaCO。其反应式为：23
Ca（OH）+Ca（HCO）→2CaCO+2HO （3-8）生成的碳23232酸钙积聚在已硬化水泥石的孔隙内，可阻滞外界水的浸入和内部的氢氧化钙向外扩散，所以硬水不会对水泥石产生腐蚀。
2）硫酸盐腐蚀
在一些湖水、海水、沼泽水、地下水以及某些工业污水中，常含钠、钾、铵等的硫酸盐，水泥石将发生硫酸盐腐蚀。以硫酸钠为例，硫酸钠（如10个结晶水的芒硝）与氢氧化钙反应生成二水石膏，即：
NaSO·10HO+Ca（OH）→CaSO·2HO+2NaOH+8HO 2422422（3-9）
然后二水石膏与水化铝酸钙反应生成高硫型水化硫铝酸钙，即：
3CaO·AlO·6HO+3（CaSO·2HO）+19HO→3CaO·AlO·232422233CaSO·31HO （3-10）42
生成的高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水，体积增加到1.5倍，由于是在已经硬化的水泥石中发生上述反应，因此对水泥石的破坏作用很大。高硫型水化硫铝酸钙呈针状晶体，俗称“水泥杆菌”。
当水中硫酸盐浓度较高时，硫酸钙会在毛细孔中直接结晶成二水石膏，体积增大，同样会引起水泥石的破坏。
3）镁盐的腐蚀
在海水及地下水中含有大量的镁盐，主要是硫酸镁和氯化镁。它们与水泥石中的氯氧化钙发生如下反应：
MgCl+Ca（OH）→CaCl+Mg（OH） （3-11）2222
MgSO+Ca（OH）+2HO→CaSO·2HO+Mg（OH） 422422（3-12）
生成的氢氧化镁松软而无胶凝能力，氯化钙易溶于水，生成的二水石膏则引起硫酸盐腐蚀，因此，硫酸镁对水泥石起着镁盐和硫酸盐双重腐蚀的作用。
4）碳酸腐蚀
在工业污水和地下水中常溶解有一定量的二氧化碳，它对水泥石的腐蚀作用如下：首先弱碳酸与水泥石中的氢氧化钙反应生成碳酸钙：
Ca（OH）+CO+HO→CaCO+2HO （3-13）22232
然后再与弱碳酸作用生成碳酸氢钙（这是一个可逆反应）：
生成的碳酸氢钙易溶于水。当水中含有较多的碳酸，并超过平衡浓度时，反应向右进行。因此，水泥石中固体的氢氧化钙不断地转变为易溶的重碳酸钙而溶失。氢氧化钙浓度的降低还会导致水泥石中其他水泥水化物的分解，使腐蚀作用进一步加剧。
5）一般酸类腐蚀
工业废水、地下水、沼泽水中常含有无机酸和有机酸，工业窑炉的烟气中常含有二氧化硫，通水后生成亚硫酸。各种酸类对水泥石有不同程度的腐蚀作用，它们与水泥石中的氢氧化钙起中和反应，生成的化合物或者易溶于水，或者体积膨胀，在水泥石中形成孔洞或膨胀压力。腐蚀作用较强的无机酸有盐酸、氢氟酸、硝酸、硫酸，有机酸有醋酸等。
例如，盐酸与水泥石中的氢氧化钙起反应：
2HCl+Ca（OH）→CaCl+2HO （3-15）222
生成的氯化钙易溶于水。硫酸与水泥石中的氢氧化钙起反应：
HSO+Ca（OH）→CaSO·2HO （3-16）24242
生成的二水石膏能与水泥石中的水化铝酸钙起反应，生成高硫型的水化硫铝酸钙或直接在水泥石孔隙中结晶产生膨胀压力。
6）强碱腐蚀
碱类溶液如果浓度不大时一般认为是无害的，但铝酸盐含量较高的硅酸盐水泥遇到强碱作用后也会破坏。如氢氧化钠可与水泥石中未水化的铝酸钙起反应，生成易溶的铝酸钠：
3CaO·AlO+6NaOH→3NaO·AlO+3Ca（OH） （3-17）232232
当水泥石被NaOH溶液浸透后又在空气中干燥，与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钠：
CO+2NaOH→NaCO+HO （3-18）2232
碳酸钠在水泥石毛细孔中结晶沉淀，可使水泥石胀裂。
7）水泥石腐蚀的根本原因和防止措施（1）引起水泥石腐蚀的根本原因
①水泥石中含有氢氧化钙、水化铝酸钙等不耐腐蚀的水化产物。
②水泥石本身不密实，有很多毛细孔，腐蚀性介质容易通过毛细孔深入到水泥石内部，加速腐蚀的进程。
实际的腐蚀往往是一个极为复杂的过程，可能是几种类型作用同时存在，互相影响。促使腐蚀发展的因素还有较高的温度、较快的水流速、干湿循环等。（2）防止水泥石腐蚀的措施
①根据工程所处的环境特点，选择适宜的水泥品种。硅酸盐水泥的水化产物中氢氧化钙和水化铝酸钙含量都较高，因此耐腐蚀性差。在有腐蚀性介质的环境中应优先考虑采用掺混合材料的硅酸盐水泥或特种水泥。
②提高水泥石的密实程度。水泥石密实度越高，抗渗能力越强，腐蚀介质就越难以进入。有些工程因为混凝土不够密实，在腐蚀的环境中过早破坏。提高水泥石的密实度，可以有效延缓各类腐蚀作用。降低水灰比、掺加减水剂、改进施工方法等可提高水泥石的密实程度。
③表面防护处理。在腐蚀作用较强时，可采用表面涂层或表面加保护层的方法。如采用各种防腐涂料、玻璃、陶瓷、塑料、沥青防腐层等。
3.1.5 硅酸盐水泥的应用
水泥在运输和保管期间，不得受潮和混入杂质，不同品种和等级的水泥应分别储运，不得混杂。散装水泥应由专用运输车直接卸入现场贮仓，分别存放。袋装水泥堆放高度一般不超过10袋，存放期一般不超过3个月，超过6个月的水泥必须经过试验才能使用。（1）硅酸盐水泥凝结硬化速度快，早期强度与后期强度均高。适用于重要结构的高强混凝土和预应力混凝土工程。（2）耐冻性、耐磨性好。适用于冬季施工以及严寒地区遭受反复冻融的工程。（3）水化过程放热量大。不宜用于大体积混凝土工程。（4）耐腐蚀差。硅酸盐水泥水化产物中，Ca（OH）的含量较2多，耐软水腐蚀和耐化学腐蚀性较差，不适用于受流动的或有水压的软水作用的工程，也不适用于受海水及其他腐蚀介质作用的工程。（5）耐热性差。硅酸盐水泥石受热达200～300℃时水化物开始脱水，强度开始下降。当温度达到500～600℃时氢氧化钙分解，强度明显下降；当温度达到700～1000℃时，强度降低更多，甚至完全破坏。因此，硅酸盐水泥不适用于耐热要求较高的工程。（6）抗碳化性好、干缩小。水泥中的Ca（OH）与空气中的CO22的作用称为碳化。由于水泥石中的Ca（OH）含量多，抗碳化性好，2因此，用硅酸盐水泥配制的混凝土对钢筋避免生锈的保护作用强。硅酸盐水泥的干燥收缩小，不易产生干缩裂纹，适用于干燥的环境中。3.2 掺混合材料的硅酸盐水泥
掺混合材料的硅酸盐水泥是由硅酸盐熟料，掺入适量的混合材料和石膏共同磨细制成的水硬性胶凝材料。掺混合材料的硅酸盐水泥种类较多，主要有普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、石灰石硅酸盐水泥等。
3.2.1 混合材料
在水泥生产过程中，掺入的天然或人工矿物材料，称为水泥混合材料。
加入混合材料，可以在水泥生产过程中增加产量、节约能源、综合利用工业废料、降低成本，同时能够改善水泥的某些性能。
混合材料按其性能可分为非活性混合材料和活性混合材料两大类。
1）非活性混合材料
常温下不能与氢氧化钙和水发生水化反应或反应很弱，也不能产生凝结硬化的混合材料称为非活性混合材料。非活性混合材料在水泥中主要起填充作用，掺入硅酸盐水泥中主要起调节水泥标号、降低水化热等作用。属于这类的混合材料有磨细石英砂、石灰石、黏土、慢冷矿渣及其他与水泥矿物成分不起反应的工业废渣等。
2）活性混合材料
常温下能与氢氧化钙和水发生水化反应，生成水硬性的水化物，并能够逐渐凝结硬化产生强度的混合材料称为活性混合材料。常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰等。（1）粒化高炉矿渣
高炉炼铁时，浮在铁水表面的熔融矿渣，经过水淬急冷成粒后即为粒化高炉矿渣。淬冷的目的在于阻止结晶，形成化学不稳定的玻璃体，具有潜在化学能，即潜在活性。如果熔融的矿渣自然缓慢冷却，凝固后成为完全结晶的块状矿渣，活性很低，属于非活性混合材料。
粒化高炉矿渣主要化学成分为CaO（38%～46%）、SiO（26%2～42%）和AlO（7%～20%），另外还有少量的MgO、FeO、23MnO、TiOO等。矿渣中的CaO在高温冷却过程中能与SiO和AlO结2223合成具有水硬性的硅酸二钙和铝酸钙，对矿渣活性有利。但含量太高，熔体黏度低，则不利于玻璃体的形成，矿渣活性反而降低。SiO属于2活性成分，但含量较高时在冷却过程中形成低碱性的硅酸钙，使得矿渣活性降低。AlO在矿渣中一般形成铝酸钙或铝硅酸钙，对矿渣活23性有利。
一般认为，矿渣中主要的活性组分为玻璃体质的SiO和AlO以223及弱水硬性的硅酸二钙等。（2）火山灰质混合材料
火山喷发时，随同熔岩一起喷发的大量的碎屑沉积在地面或水中的松软物质，称为火山灰。由于火山喷出物在空气中急冷，火山灰含有一定量的玻璃体，它的主要成分为SiO和AlO。火山灰质的混合223材料是泛指以活性SiO和活性AlO为主要成分的活性混合材料。它223的应用是从火山灰开始的，故而得名，其实并不仅限于火山灰。火山灰质混合材料按照其成因，分为天然的和人工的两大类。天然的有火山灰、凝灰岩、浮石、沸石岩、硅藻土、硅藻石和蛋白石等；人工的有烧页岩、烧黏土、煤渣、煤矸石、硅灰等。
火山灰质混合材料结构上的特点是疏松多孔、内比表面积大、易吸水，但由于品种多，其活性也有较大的差别。（3）粉煤灰
粉煤灰是从燃煤火力发电厂的烟道气体中收集的粉尘，又称为飞灰。主要成分为SiO（40%～65%）和AlO（15%～40%）。从火山223灰质混合材料泛指的定义讲，粉煤灰属于火山灰质混合材，但粉煤灰一般为呈玻璃态的实心或空心的球状颗粒，表面结构致密，性质与其他的火山灰质混合材有所不同，它是一种产量很大的工业废料，所以单独列出。
粉煤灰的颗粒大小与形状对其活性有很大的影响，颗粒越细，密实球体形玻璃体含量越高，活性越高，标准稠度需水量越低。
3）活性混合材料的水化
粒化高炉矿渣、火山灰质混合材料和粉煤灰属于活性混合材料，它们与水拌和后，不发生水化及凝结硬化（仅粒化高炉矿渣有微弱的水化反应）。但在氢氧化钙饱和溶液中，常温下却发生显著的水化反应：
xCa（OH）+SiO+mHO→xCaO·SiO·（x+m）HO （3-19）22222
yCa（OH）+AlO+nHO→yCaO·AlO·（y+n）HO （3-20）2232232
生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙是具有水硬性的水化物。式中x、y值取决于混合材料的种类，石灰和活性SiO及活性AlO之间的223比例，环境温度以及作用的时间等。对于掺常用混合材料的硅酸盐水泥，x、y值一般为1或稍大于1，即生成的水化物的碱度降低（与硅酸盐水泥水化物相比），为低碱性的水化物。
活性SiO和Ca（OH）相互作用形成无定型水化硅酸钙，再经过22较长一段时间后，逐渐转变为凝胶或微晶体。
活性AlO与Ca（OH）作用形成水化铝酸钙。当液相中有石膏232存在时，水化铝酸钙与石膏反应生成水化硫铝酸钙。
可以看出，氢氧化钙和石膏的存在使活性混合材料的潜在活性得以发挥。它们起着激发水化、促进凝结硬化的作用，故称为活性混合材料的激发剂。常用的激发剂有碱性激发剂（如石灰）和硫酸盐激发剂（如石膏）两类。
掺活性混合材料的水泥与水拌和后，首先是水泥熟料水化，然后是水泥熟料的水化物Ca（OH）与活性混合材料中的SiO及AlO进2223行水化反应（一般称为二次水化反应）。因此，掺混合材料的硅酸盐水泥水化速度减慢，水化热降低，早期强度降低。
3.2.2 普通硅酸盐水泥
1）定义及组成
凡由硅酸盐水泥熟料、6%～15%混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为普通硅酸盐水泥（简称普通水泥，Ordinary Portland Cement），代号P·O。
掺活性混合材料时，最大掺量不得超过15%，其中允许用不超过水泥质量5%的窑灰或不超过水泥质量10%的非活性混合材料。
掺非活性混合材料时，最大掺量不得超过水泥质量的10%。
2）技术要求
国家标准（GB 175—1999）对普通水泥的技术要求如下：（1）细度。80μm方孔筛筛余不得超过10.0%。（2）凝结时间。初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于10h。（3）强度。强度等级按照3d和28d龄期的抗压强度和抗折强度来划分，共分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。各等级水泥的强度不得低于表3-6中的数值。表3-6 普通硅酸盐水泥各龄期的强度要求（4）体积安定性。氧化镁含量、三氧化硫含量、碱含量要求等同硅酸盐水泥，烧失量不得大于5.0%。
普通水泥是在硅酸盐水泥熟料的基础上掺入15%以内的混合材料，虽然掺入的数量不多，但扩大了强度等级范围，对硅酸盐水泥的性能有一定的改善，更利于工程的选用。与硅酸盐水泥相比，早期硬化稍慢，水化热略有降低，强度稍有下降；抗冻性、耐磨性、抗碳化性能略有降低；耐腐蚀性能稍好。普通水泥比硅酸盐水泥应用范围更广，目前是我国最常用的一种水泥，广泛用于各种工程建设中。
3.2.3 矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥
1）定义及组成（1）矿渣硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料和粒化高炉矿渣、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为矿渣硅酸盐水泥（简称矿渣水泥，Portland Blastfurnace-slag Cement），代号P·S。水泥中的粒化高炉矿渣掺加量按照质量百分比计为20%～70%。允许用石灰石、窑灰、粉煤灰和火山灰质混合材料中的一种材料替代矿渣，代替数量不得超过水泥质量的8%，替代后的高炉矿渣不得少于20%。（2）火山灰质硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料和火山灰质混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为火山灰质硅酸盐水泥（简称火山灰水泥，Portland Pozzolana Cement），代号P·P。水泥中火山灰质混合材料掺量按质量百分比计为20%～50%。（3）粉煤灰硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料和粉煤灰、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为粉煤灰硅酸盐水泥（简称粉煤灰水泥，Portland Fly-Ash Cement），代号P·F。水泥中粉煤灰的掺量按质量百分比计为20%～40%。
2）技术要求（1）氧化镁。熟料中的氧化镁的含量不得超过5.0%。如果水泥经过压蒸安定性试验合格，则熟料中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。熟料中氧化镁的含量为5.0%～6.0%时，如矿渣水泥中的混合材料总量不大于40%或火山灰水泥和粉煤灰水泥混合材料掺加量大于30%，制成的水泥可不做压蒸试验。（2）三氧化硫。矿渣水泥的三氧化硫的含量不得超过4.0%；火山灰水泥和粉煤灰水泥的三氧化硫的含量不得超过3.5%。（3）细度、凝结时间、体积安定性、碱含量要求等同普通硅酸盐水泥。（4）强度。强度等级按规定龄期的抗压强度和抗折强度来划分，共分为32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级，各强度等级水泥的各龄期抗压强度和抗折强度不得低于表3-7中的数值。表3-7 矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥各龄期的强度要求
矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥都是在硅酸盐水泥熟料基础上掺入较多的活性混合材料，再加上适量石膏共同磨细制成的。由于活性混合材料的掺量较多，且活性混合材料的化学成分基本相同（主要是活性氧化硅和活性氧化铝），因此它们的大多数性质和应用相同或相近，即这三种水泥在许多情况下可替代使用。但与硅酸盐水泥或普通水泥相比，有明显的不同。又由于不同混合材料结构上的不同，它们相互之间又具有各自的特性，这些性质决定了它们使用上的特点和应用。
3.2.4 复合硅酸盐水泥
凡由硅酸盐水泥熟料、两种或两种以上规定的混合材料、适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料称为复合硅酸盐水泥（简称复合水泥，Composite Portland Cement），代号P·C。水泥中混合材料总掺量按质量百分比计应大于15%，但不超过50%。
复合水泥由于掺入了两种或两种以上的混合材料，混合材料的作用会相互补充、取长补短，很好地改善了上述三种掺单一混合材料水泥的性能，其强度发展上接近普通水泥，并且水化热低，耐腐蚀性能、抗渗性和抗冻性较好，是一种综合性能好的水泥。
复合水泥的特性还与混合材料的品种与掺量有关。复合水泥的性能在以矿渣为主要混合材料时，其性能与矿渣水泥接近；而当以火山灰质材料为主要混合材料时，则接近火山灰水泥的性能。因此，在复合水泥包装袋上应标明主要混合材料的名称。
复合水泥有32.5、32.5R、42.5、42.5R、52.5、52.5R六个强度等级。各强度等级水泥的各龄期强度不得低于表3-8中的数值，其余的技术要求与火山灰水泥相同。表3-8 复合水泥各龄期的强度要求
为了便于识别，硅酸盐水泥和普通水泥包装袋上要求用红字印刷，矿渣水泥包装袋上要求采用绿字印刷，火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥则要求采用黑字印刷。
3.2.5 几种通用水泥的性能特点及应用
硅酸盐水泥、普通水泥、矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥和复合水泥是建设工程中的通用水泥，它们的主要性能与应用见表3-9所示。表3-9 几种通用水泥的性能及应用3.3 铝酸盐水泥
凡以铝酸钙为主的铝酸盐水泥熟料，磨细制成的水硬性胶凝材料称为铝酸盐水泥（Alu-minate Cements），代号CA。铝酸盐水泥是一类快硬、高强、耐腐蚀、耐热的水泥，又称高铝水泥。
3.3.1 铝酸盐水泥的分类和矿物组成
铝酸盐水泥生产原材料为铝矾土和石灰石，通过调整原材料的比例，改变水泥的矿物组成和比例，得到不同性质的铝酸盐水泥。铝酸盐水泥按照AlO的含量百分数分为四类：CA—50，50%＜AlO＜232360%；CA—60，60%≤AlO＜68%；CA—70，68%＜AlO＜77%；2323CA—80，77%＜AlO。23
铝酸盐水泥主要熟料矿物成分为铝酸一钙（简写为CA），二铝酸一钙（简写为CA）和少量的七铝酸十二钙（简写为CA）、硅酸二2127钙（CS）及硅铝酸二钙（CAS）等。在铝酸盐水泥中随着AlO含2223量的提高，即CaO/AlO降低，矿物成分CA逐渐降低，CA逐渐提高。232CA—50中AlO含量最低，主要矿物成分为CA,CA含量约占水泥质量23的70%；CA—80中AlO含量最高，主要矿物成分为CA，其含量占232水泥质量的60%～70%。
铝酸一钙（CA）：是低AlO含量的铝酸盐水泥，如CA—50（原23为高铝水泥）的最主要矿物成分，具有很高的水硬活性，特性是凝结正常，硬化速度快，是铝酸盐水泥主要的强度来源。但CA含量过高的水泥，强度发展主要在早期，后期强度提高不显著。因此，CA—50是一种快硬、早强和高强的水泥。
二铝酸一钙（CA）：在AlO含量高的水泥中，CA的含量高。2232CA水化硬化慢，早期强度低，但后期强度不断提高。品质优良的铝2酸盐水泥一般以CA和CA为主。铝酸盐水泥随着CA的提高，耐火性22能提高。CA—80是一种高耐火性的水泥。
3.3.2 铝酸盐水泥的水化和硬化
铝酸盐水泥的水化和硬化主要是铝酸一钙CA和二铝酸一钙CA的2水化和水化物结晶。其水化产物随温度的不同而不同。
1）铝酸一钙的水化
当温度低于20℃时，其主要的反应式为：
CaO·AlO+10HO→CaO·AlO·10HO （3-21）232232
生成物为水化铝酸一钙（简写为CAH10）。当温度为20～30℃时，其主要的反应式为：
2（CaO·AlO）+11HO→2CaO·AlO·8HO+AlO·3HO 232232232（3-22）
生成物为水化铝酸二钙（简写为CAH8）和氢氧化铝。当温度高2于30℃时，其主要的反应式为：
3（CaO·AlO）+12HO→3CaO·AlO·6HO+2（AlO·3HO）232232232 （3-23）
生成物为水化铝酸三钙（简写为CAH6）和氢氧化铝。3
2）二铝酸一钙的水化
当温度低于20℃时，其主要的反应式为：
2（CaO·2AlO）+26HO→2（CaO·AlO·10HO）+2（AlO·232232233HO） （3-24）2
当温度为20～30℃时，其主要的反应式为：
2（CaO·2AlO）+17HO→2CaO·AlO·8HO+3（AlO·3HO）232232232 （3-25）
当温度高于30℃时，其主要的反应式为：
3（CaO·2AlO）+21HO→3CaO·AlO·6HO+5（AlO·3HO）232232232 （3-26）
水化产物CAH10和CAH8为针状或板状结晶，能相互交织成坚固2的结晶合成体，析出的氢氧化铝凝胶难溶于水，填充于晶体骨架的空隙中，形成致密的结构，使水泥石获得很高的强度。铝酸一钙（CA）水化反应集中在早期，5～7d后水化物的数量很少增加；二铝酸一钙（CA）水化反应集中在后期，使得后期的强度能够增长。2
CAH10和CAH8是亚稳定相，随时间增长，会逐渐转化为比较稳2定的CAH6，转化过程随着温度的升高而加快。转化结果使水泥石内3析出大量的游离水，增大了孔隙体积，使强度降低。在长期的湿热环境中，水泥石强度明显降低，甚至引起结构的破坏。
3.3.3 铝酸盐水泥的技术要求
1）化学成分
国家标准《铝酸盐水泥》（GB 201—2000）规定，铝酸盐水泥的化学成分按照水泥的质量百分比计应符合表3-10的要求。表3-10 铝酸盐水泥的化学成分要求
当用户需要时，生产厂商应提供结果和测定方法。
2）物理性能2（1）细度。比表面积不小于300m/kg或0.045mm筛上的筛余不大于20%，由供需双方商定。（2）凝结时间。对于不同类型的铝酸盐水泥，初凝时间不得早于30min（CA—50，CA—70，CA—80）或60min（CA—60），终凝时间不得迟于6h（CA—50，CA—70，CA—80）或18h（CA—60）。（3）强度。各种类型的铝酸盐水泥各龄期的抗压强度和抗折强度不得低于表3-11中的数值。表3-11 铝酸盐水泥胶砂强度要求
3.3.4 铝酸盐水泥的性能特点与应用
CA—50快硬早强，早期强度增长快，24h即可达到极限强度的80%左右，故宜用于紧急抢修工程和早期强度要求高的工程。水化热大，且集中在早期放出，因此，适合于冬季施工，不适合于最小断面尺寸超过45cm的构件及大体积混凝土的施工，另外，常用于配制膨胀水泥、自应力水泥和化学建材的添加剂等。但CA—50铝酸盐水泥后期强度可能会下降，尤其是在高于30℃的湿热环境下强度下降更快，甚至会引起结构的破坏。因此，结构工程中使用铝酸盐水泥应慎重。
CA—60水泥熟料一般以CA和CA为主，CA能够迅速提高早期强2度，CA在后期能够保证强度的发展，因此具有较高的早期强度和后2期强度。水化热较高，适合于冬季施工和紧急抢修工程以及早期强度要求高的工程。由于含有一定的CA，有较高的耐火性能，也常用于2配制耐火混凝土。同样，不能用于湿热环境下的工程。
CA—70和CA—80属于低钙铝酸盐水泥，主要成分为二铝酸一钙，具有良好的耐高温性能，可以用来配制耐火混凝土，广泛用于各种高温炉衬的内衬，特别是用于耐火砖砌筑比较困难的结构炉体。由于游离的α-AlO晶体熔点高（2040℃），因此规范允许在磨制AlO2323含量大于68%的水泥（即CA—70和CA—80水泥）中掺入适量的α-AlO粉，以提高水泥的耐火性。23
另外，铝酸盐水泥具有较好的抗硫酸盐侵蚀能力。这是因为其主要成分为低钙铝酸盐，游离的氧化钙极少，水泥石结构比较致密，故适合于有抗硫酸盐侵蚀要求的工程。
在高温下（1200～1300℃），铝酸盐水泥石中脱水产物与磨细耐火骨料发生化学反应，逐渐转变成“陶瓷胶结料”，使得耐火混凝土强度提高，甚至超过加热前所具有的水硬性胶结强度。因此，铝酸盐水泥具有一定的耐高温性能，并且随着AlO含量的提高，这种性能23越来越突出。
铝酸盐水泥不耐碱，铝酸盐水泥与碱性溶液接触，甚至混凝土骨料内含有少量碱性化合物时，都会引起不断的侵蚀，故不能用于接触碱溶液的工程。
铝酸盐水泥最适宜的硬化温度为15℃左右，一般施工时环境温度不得超过25℃，否则会产生晶型转变，强度降低。铝酸盐水泥水化热集中于早期释放，从硬化开始应立即浇水养护，一般不宜浇筑大体积混凝土。
铝酸盐水泥在使用时还应注意：（1）在施工过程中，不得与硅酸盐水泥、石灰等能析出氢氧化钙的胶凝物质混合，否则将产生瞬凝，以致无法施工，且强度降低。（2）铝酸盐水泥混凝土后期强度下降较大，应以最低稳定强度设计。最低稳定强度值以试块脱模后放入（50±2）℃水中养护，取龄期为7d和14d的强度值低者来确定。（3）若采用蒸汽养护加速混凝土的硬化，养护温度不高于50℃。（4）不能与未硬化的硅酸盐水泥混凝土接触使用；可以与具有脱模强度的硅酸盐水泥混凝土接触使用，但在接茬处不应长期处于潮湿状态。3.4 其他品种水泥
除上述水泥以外，还有其他品种水泥，有着不同的性能和用途。在国家标准中，定义为专用水泥和特性水泥。
专用水泥是以其主要用途来命名的，特性水泥是以其主要性能来命名的。这两类水泥的品种比较多，本节仅介绍工程中常用的品种。
3.4.1 道路硅酸盐水泥
在各种公路路面建筑中，以水泥混凝土路面最为常见。水泥混凝土路面不易损坏，使用年限长，是沥青路面的好几倍，并且具有路面阻力小、抗油类腐蚀性强、雨天不打滑等优点。道路硅酸盐水泥是为适应我国水泥混凝土路面的需要而发展起来的。随着我国公路建设的迅速发展，道路水泥的需要量与日俱增。
由道路硅酸盐水泥熟料、0～10%活性混合材料和适量石膏磨细制成的水硬性胶凝材料，称为道路硅酸盐水泥（简称道路水泥，Portland Cement for Road）。它是在硅酸盐水泥的基础上，通过合理的配制生料、煅烧等来调整水泥熟料的矿物组成比例，以达到增加抗折强度、抗冲击性能、耐磨性能、抗冻性和疲劳性能等。
国家标准《道路硅酸盐水泥》（GB 13693—2005）有如下要求：
1）化学成分（1）氧化镁。水泥中氧化镁的含量不得超过5.0%。（2）三氧化硫。水泥中三氧化硫的含量不得超过3.5%。（3）烧失量。水泥中的烧失量不得大于3.0%。（4）游离氧化钙。熟料中游离氧化钙的含量，旋窑生产时不得大于1.0%，立窑生产时不得大于1.8%。（5）碱含量。用户提出要求时，由供需双方商定。用户要求提供低碱水泥时，水泥中的碱含量不得大于0.6%。
2）矿物组成（1）铝酸三钙。熟料中的铝酸三钙含量不得大于5.0%。（2）铁铝酸四钙。熟料中铁铝酸四钙的含量不得小于16.0%。
3）物理力学性质2（1）细度。比表面积为300～450m/kg。（2）凝结时间。初凝时间不得早于1.5h，终凝时间不得迟于10h。（3）安定性。沸煮法必须合格。（4）干缩性。干缩率不得大于0.10%。2（5）耐磨性。28d磨耗量应不大于3.00kg/m。（6）强度。道路水泥按3d、28d抗折强度和抗压强度分为32.5、42.5、52.5三个标号。
道路水泥具有早强和高抗折强度的特性，这对保证道路混凝土达到设计强度提供了一定的条件。另外，道路水泥还具有耐磨性好、干缩小、抗冲击性和抗冻性好，有一定的抗硫酸盐腐蚀性能等优点，适用于道路路面、机场跑道、城市广场等工程。
3.4.2 白色硅酸盐水泥
一般硅酸盐水泥呈灰色或灰褐色，这主要是由于水泥熟料中的氧化铁和其他着色物质（如氧化锰、氧化钛等）所引起的，普通硅酸盐水泥的氧化铁含量为3%～4%。白色硅酸盐水泥则要严格控制氧化铁的含量，一般应低于水泥质量的0.5%。此外，其他有色金属氧化物，如氧化锰、氧化钛、氧化铝的含量也要加以控制。
白色硅酸盐水泥（简称白水泥，White Portland Cement）的生产与硅酸盐水泥基本相同。由于原料中氧化铁的含量少，使得生成硅酸三钙的温度提高，煅烧的温度要提高到1550℃左右。为了保证白度，煅烧时应采用天然气、煤气或重油作为燃料。粉磨时不能直接用锈钢板和钢球，而应采用白色花岗岩或高强陶瓷衬板，用烧结瓷球等作为研磨体。因此，白水泥的生产成本较高，价格较贵。
白水泥按照3d和28d的抗折强度和抗压强度分为32.5、42.5、52.5三个标号。白度是白色水泥的主要技术指标之一，白度通常以与氧化镁标准版的反射率的比值（%）来表示。白色水泥的白度值不低于87。其他技术要求与普通水泥接近。
白色硅酸盐水泥熟料与适量的石膏和耐碱矿物颜料共同磨细，可制成彩色硅酸盐水泥，简称为彩色水泥（Coloured Portland Cement）。常用的颜料有氧化铁（红、黄、褐、黑色）、二氧化锰（黑、褐色）、氧化铬（绿色）、赭石（褐色）和炭黑（黑色）等。也可将颜料直接与白水泥粉末混合拌匀，配制彩色水泥砂浆和混凝土。后一种方法简便易行，颜色可以调节，但有时色彩不匀，有差异。
白色和彩色水泥与其他天然的和人造的装饰材料相比，具有耐久性好、价格较低和能够使装饰工程机械化等优点。主要用于建筑内外装饰的砂浆和混凝土，如水磨石、水刷石、斩假石、人造大理石等。
3.4.3 快硬硅酸盐水泥
凡以硅酸盐水泥熟料和适量石膏磨细制成的，以3d抗压强度表示标号的水硬性胶凝材料，称为快硬硅酸盐水泥（简称快硬水泥，Rapid Hardening Portland Cement）。
快硬硅酸盐水泥与硅酸盐水泥的主要区别在于提高了熟料中CA3和CS的含量，同时适当增加了石膏的掺量，并提高了水泥的粉磨细3度。
快硬水泥的标号以3d的抗压强度表示，分为32.5、37.5、42.5三个标号，28d强度作为供需双方参考指标。
快硬硅酸盐水泥的技术性质应满足国家标准《快硬硅酸盐水泥》（GB 199—90）的规定，细度为0.080mm方孔筛筛余不得超过10%；凝结时间中初凝不得早于45min，终凝不得迟于10h；用沸煮法检验水泥的安定性合格；水泥中SO含量不得超过4.0%；熟料中MgO的含3量不得超过5.0%，如水泥压蒸安定性检验合格，则熟料中氧化镁的含量允许放宽到6.0%。
快硬水泥的特点是凝结硬化快，早期强度发展快，可用来配制早强、高强度等级的混凝土，适用于紧急抢修工程、低温施工工程和高等级混凝土预制构件等。
快硬水泥易受潮变质，在运输和储存时，必须注意防潮，存放期一般不超过一个月。
3.4.4 膨胀水泥和自应力水泥
一般硅酸盐水泥在空气中凝结和硬化时，体积发生收缩。收缩使水泥石结构产生微裂缝（龟裂）或裂缝，降低水泥制品的密实性，影响结构的抗渗、抗冻、耐腐蚀性和耐久性。
膨胀水泥按照膨胀值的大小分为膨胀水泥和自应力水泥。膨胀水泥的线膨胀率在1%以下，抵消或补偿了水泥的收缩，这种水泥又称为无收缩水泥或补偿收缩水泥。当水泥膨胀率较大时（1%～3%），混凝土受到钢筋的约束压应力，这种压应力是水泥水化产生的体积变化所引起的，所以称为自应力。在凝结硬化过程中，有约束的条件下能够产生一定自应力的水泥，称为自应力水泥。
1）膨胀机理
使水泥石体积产生膨胀的水化反应有：①在水泥中掺入特定的氧化钙；②在水泥中掺入特定的氧化镁；③在水泥浆体中形成钙矾石，产生体积膨胀。前两种方法影响因素较多，膨胀性能不够稳定。实际工程中得到广泛应用的是以钙矾石为膨胀源的各种膨胀水泥。
2）膨胀水泥的种类
膨胀水泥按照水泥的主要矿物成分可分为硅酸盐型、铝酸盐型、硫铝酸盐型等，主要有下面几种：（1）自应力硅酸盐水泥
以适当比例的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥、铝酸盐水泥和石膏磨制而成的膨胀性的水硬性胶凝材料，称为自应力硅酸盐水泥。如以69%～73%普通水泥、12%～15%铝酸盐水泥、15%～18%二水石膏可配制成较高自应力硅酸盐水泥。
自应力硅酸盐水泥水化时产生膨胀的原因，主要是铝酸盐水泥中铝酸盐和石膏遇水化合，生成钙矾石。由于生成的钙矾石较多，膨胀对水泥石结构有影响，强度降低，因此还应控制其后期的膨胀量，膨胀稳定期不得迟于28d。同时，28d的自由膨胀率不得大于3%。
由于自应力硅酸盐水泥中含有硅酸盐水泥熟料与铝酸盐水泥，凝结时间加快。因此，要求初凝时间不早于30min，终凝时间不迟于390min。并且规定脱模抗压强度为（12±3）MPa，28d抗压强度不得2低于10MPa。水泥比表面积大于340m/kg。（2）明矾石膨胀水泥
凡以硅酸盐水泥熟料为主，天然明矾石、石膏和粒化高炉矿渣（或粉煤灰），按照适当的比例磨细制成的，具有膨胀性能的水硬性胶凝材料，称为明矾石膨胀水泥（Alunite expansive cement）。明矾石的化学式为K SO·Al（SO）·AlO·6HO。明矾石膨胀水泥是用24243232明矾石代替铝酸盐水泥作为含铝相的硅酸盐水泥型膨胀水泥。
调节明矾石和石膏的掺量，可制得不同膨胀性能的水泥。
根据《明矾石膨胀水泥》（JC/T311—1997），明矾石膨胀水泥按照3d、7d和28d的抗压强度，抗折强度分为32.5、42.5、52.5三个标2号。水泥的比表面积不得低于400m/kg；初凝时间不得早于45min，终凝时间不得迟于6h。水泥净浆试体在水中的养护至各龄期的自由膨胀率应符合以下要求：1d不得小于0.15%；28d不得小于0.35%，但不得大于1.2%。三氧化硫含量不得超过80%；其1:3软练胶砂试件水中养护3d后，在1.0MPa水压下恒压8h应不透水。（3）铝酸盐自应力水泥
铝酸盐自应力水泥是以一定量的铝酸盐水泥熟料和石膏粉磨细而成的大膨胀率的胶凝材料。
根据《自应力铝酸盐水泥》（JC 214—91），按照1:2标准胶砂28d自应力值分为3.0MPa、4.5MPa和6.0MPa三个级别。水泥的细度为80μm筛的筛余量不得大于10%；初凝时间不早于30min，终凝时间不迟于4h。同时，对水泥的自由膨胀率、抗压强度、自应力、三氧化硫含量等作了具体的规定。（4）膨胀硫铝酸盐水泥和自应力硫铝酸盐水泥
以适当成分的生料经煅烧所得的，以无水硫铝酸盐和硅酸二钙为主要矿物成分的熟料，加入适量的石膏，磨细可以制成膨胀硫铝酸盐水泥或自应力硫铝酸盐水泥。
膨胀硫铝酸盐水泥要求：水泥净浆1d自由膨胀率不得小于0.10%，28d不得大于1.00%；初凝时间不得早于30min，终凝时间不得迟于3h；2比表面积不得低于400m/kg；强度等级为52.5；应满足1d、3d和28d的抗压强度、抗折强度的要求。
自应力硫铝酸盐水泥要求：按照1:2标准胶砂自由膨胀率7d不大于1.30%，28d不大于1.75%，28d自应力增进率不大于0.0070MPa/d。按照28d的自应力值分为30级、40级、50级三个级别。水泥的初凝时间不得早于40min，终凝时间不得迟于240min；比表面积不得低2于370m/kg；抗压强度7d不小于32.5MPa，28d不小于42.5MPa。
3）膨胀水泥的应用
膨胀水泥在约束条件下所形成的水泥制品结构致密，所以具有良好的抗渗性和抗冻性。
膨胀水泥可用于配制防水砂浆和防水混凝土，浇灌构件的接缝及管道的接头，堵塞与修补漏洞与裂缝等。自应力水泥主要用于自应力钢筋混凝土结构工程和制造自应力压力管等。
3.4.5 中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥
硅酸盐水泥水化时放出大量的热，不适合大体积混凝土工程的施工。掺活性混合材料的硅酸盐水泥，水化热减小，但没有明确的定量规定，而且掺入较多的活性混合材料以后，有些性能（如抗冻性、耐磨性）变差。《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥》（GB 200—2003）对三种水泥的定义如下：
以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏，磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料，称为中热硅酸盐水泥（简称中热水泥，Moderate Heat Portland Cement），代号为P·MH。
以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量的石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热硅酸盐水泥（简称低热水泥，Low Heat Portland Cement），代号为P·LH。
以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入20%～60%粒化高炉矿渣、适量的石膏，磨细制成的具有低水化热的水硬性胶凝材料，称为低热矿渣硅酸盐水泥（简称低热矿渣水泥，Low Heat Portland Slag Cement），代号为P·SLH。
为了降低水泥的水化热和放热速度，必须降低熟料中CA和CS33的含量，相应地提高CAF和CS的含量。但是，CS也不宜过少，否423则水泥强度的发展过慢。因此，应着重减少CA的含量，相应地提高3CAF的含量。4
三种水泥的氧化镁、三氧化硫、安定性、碱含量要求同普通水泥。2细度用比表面积表示，其值应不小于250m/kg。凝结时间中初凝不得早于60min，终凝应不迟于12h。中热水泥和低热水泥的强度等级为42.5，低热矿渣水泥强度等级为32.5。
中热水泥水化热较低，抗冻性与耐磨性较高；低热矿渣水泥水化热更低，早期强度低，抗冻性差；低热水泥性能处于两者之间。中热水泥和低热水泥适用于大体积水工建筑物水位变动区的覆面层及大坝溢流面，以及其他要求低水化热、高抗冻性和耐磨性的工程。低热矿渣水泥适用于大体积建筑物或大坝内部要求更低水化热的部位。此外，它们具有一定的抗硫酸盐侵蚀能力，可用于低硫酸盐侵蚀的工程。
3.4.6 抗硫酸盐硅酸盐水泥
抗硫酸盐硅酸盐水泥，主要用于受硫酸盐侵蚀的海港、水利、地下、隧道、引水、道路和桥梁基础等工程。按其抗硫酸盐侵蚀的程度分为中抗硫酸盐硅酸盐水泥和高抗硫酸盐硅酸盐水泥两类。
以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有抵抗中等浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为中抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称中抗硫酸盐水泥，Moderate Sulfate Resistance Portland Cement），代号为P·MSR。
以适当成分的硅酸盐水泥熟料，加入适量石膏，磨细制成的具有抵抗较高浓度硫酸根离子侵蚀的水硬性胶凝材料，称为高抗硫酸盐硅酸盐水泥（简称高抗硫酸盐水泥，High Sulfate Resistance Portland Cement），代号为P·HSR。
硅酸盐水泥熟料中最易受硫酸盐腐蚀的成分是CA，其次是CS，33因此应控制抗硫酸盐水泥的CA和CS的含量，但CS的含量不能太333低，否则会影响水泥强度的发展速度。
抗硫酸盐水泥的氧化镁含量、安定性、凝结时间、碱含量要求等同普通水泥。同时，规定三氧化硫含量不大于2.5%，比表面积不小2于280m/kg，烧失量不大于3.0%，不溶物不大于1.50%。水泥的标号按照规定龄期的抗压强度和抗折强度划分为425、525两个标号。
抗硫酸盐水泥的抗蚀能力以抗硫酸盐腐蚀系数F来评定，它是指水泥试件在人工配制的硫酸根离子浓度分别为2500mg/L和8000mg/L的硫酸钠溶液中，浸泡六个月后的强度与同时浸泡在饮用水中的试件强度之比。抗硫酸盐水泥的抗硫酸盐腐蚀系数不得小于0.8。
复习思考题1.生产硅酸盐水泥的主要原料有哪些？2.试述硅酸盐水泥的主要矿物成分及其水化特性对水泥性能的影响。3.简述硅酸盐水泥的水化过程及其主要水化产物。4.水泥石的结构如何？5.硅酸盐水泥有哪些主要技术指标？这些技术指标在工程应用上有何意义？6.为下列工程选择适宜的水泥品种：（1）现浇混凝土梁、板、柱，冬季施工；（2）大坝混凝土（具有大体积混凝土特性和抗渗要求）；（3）海岸防波堤钢筋混凝土工程；（4）炼铁炉基础；（5）预应力混凝土梁；（6）东北某大桥的沉井基础及桥梁墩台。7.硅酸盐水泥石腐蚀的类型主要有哪几种？产生腐蚀的主要原因是什么？防止腐蚀的措施有哪些？8.什么是活性混合材料和非活性混合材料？掺入硅酸盐水泥中能起到什么作用？9.为什么掺较多活性混合材料的硅酸盐水泥早期强度比较低，后期强度发展比较快，长期强度甚至超过同等级的硅酸盐水泥？10.与普通水泥相比较，矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥在性能上有哪些不同？并分析这四种水泥的适用和禁用范围。11.试述道路硅酸盐水泥、白色硅酸盐水泥、快硬硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、抗硫酸盐水泥的熟料成分、特性和应用。12.硅酸盐水泥水化过程、硅酸盐膨胀水泥的膨胀过程、水泥石硫酸盐腐蚀过程中都有水化硫铝酸钙生成，其作用在三种条件下有何不同？13.铝酸盐水泥有何特点？适用于哪些工程？应用时需要注意哪些问题？14.仓库中有三种白色胶凝材料，分别是白水泥、石膏、生石灰粉，有什么简易方法可以辨认？4 混凝土本章提要：熟练掌握混凝土各种组成材料各项性质的要求、测定方法及对混凝土性能的影响，混凝土拌和物的性质及其测定和调整方法，硬化混凝土的力学性质、变形性质和耐久性质及其影响因素，普通混凝土的配合比设计方法；掌握普通混凝土组成材料的品种、技术要求及选用（包括砂、石、水泥、水、掺和料及外加剂）；了解其他混凝土的配制原理与性能；了解混凝土技术的新进展、应用及其发展趋势。
混凝土是由胶凝材料、骨料和水按一定比例配制，经搅拌振捣成型，在一定条件下养护而成的人造石材，是当代最主要的土木工程材料之一。
混凝土的种类很多。按胶凝材料不同，可分为水泥混凝土、沥青混凝土、石膏混凝土及聚合物混凝土等；按表观密度不同，可分为重33混凝土（ρ＞2600kg/m）、普通混凝土（1950kg/m＜ρ＜2600kg/oo33m）、轻混凝土（ρ＜1950kg/m）；按使用功能不同，分为结构用混o凝土、道路混凝土、水工混凝土、耐热混凝土、耐酸混凝土、防辐射混凝土等；按施工工艺不同，又分为喷射混凝土、泵送混凝土、振动灌浆混凝土等。
普通混凝土的主要优点如下：（1）原材料来源丰富。混凝土中约70%以上的材料是砂石料，属地方性材料，可就地取材，避免远距离运输，因而价格低廉。（2）施工方便，工艺简单。混凝土拌和物具有良好的流动性和可塑性，可根据工程需要浇筑成各种形状尺寸的构件及构筑物。既可现场浇筑成型，也可预制。（3）性能可根据需要设计调整。通过调整各组成材料的品种和数量，特别是掺入不同外加剂和掺和料，可获得不同施工和易性、强度、耐久性或具有特殊性能的混凝土，满足工程的不同要求。（4）抗压强度高。混凝土的抗压强度一般在7.5～60MPa。当掺入高效减水剂和掺和料时，强度可达100MPa以上。而且，混凝土与钢筋具有良好的匹配性，浇筑成钢筋混凝土后，可以有效地改善抗拉强度低的缺陷，使混凝土能够应用于各种结构部位。（5）耐久性好。原材料选择正确、配比合理、施工养护良好的混凝土具有优异的抗渗性、抗冻性和耐腐蚀性能，且对钢筋有保护作用，可保持混凝土结构长期使用性能稳定。
普通混凝土存在的主要缺点是：3（1）自重大。1m混凝土重约2400kg，故结构物自重较大，导致地基处理费用增加。（2）抗拉强度低，抗裂性差。混凝土的抗拉强度一般只有抗压强度的1/10～1/20，易开裂。（3）收缩变形大。水泥水化凝结硬化引起的自身收缩和干燥收-6缩达500×10m/m以上，易产生混凝土收缩裂缝。
随着技术的进步，混凝土材料正向着高新技术方向发展。近年来，各种新的混凝土品种不断出现，拓展了混凝土的应用范围。4.1 普通混凝土的组成材料
普通混凝土由胶凝材料、粗骨料（石子）和细骨料（砂子）、水所组成。胶凝材料包括硅酸盐系列的水泥和粉煤灰、矿粉等辅助性胶凝材料。为改善混凝土的各种性能，混凝土中还含有不同种类的外加剂。
普通混凝土中，粗、细骨料约占总体积的70%，水泥石约占30%。水泥石中，水泥和水约占10%和15%，还有大约5%的气孔（如图4-1）。图4-1 普通混凝土的组成与结构
普通混凝土，各组成材料发挥不同的作用。粗、细骨料起骨架作用，细骨料填充在粗骨料的空隙中。水泥和水组成水泥浆，包裹在粗、细骨料的表面并填充在骨料的空隙中。在混凝土硬化前水泥浆起润滑作用，赋予混凝土拌和物流动性；在混凝土硬化后起胶结作用，把粗、细骨料黏结成一个整体。
在混凝土粗、细骨料与水泥石的胶结面上，会形成大约几十个微米的界面过渡区。它是骨料界面一定范围内的区域，这一区域的结构与性能不同于硬化水泥石本体。界面过渡区具有较高的孔隙率，形成了一个Ca（OH）晶体定向排列的结构疏松的界面过渡区。2
水泥石骨料的界面过渡区是混凝土中最薄弱环节。界面过渡区结构疏松，在混凝土受力过程中，破坏常常首先发生在界面过渡区；各种原因引起变形所导致的裂缝常常首先从界面过渡区开始，延伸贯通直到破坏；界面及其附近常常成为渗透路径，降低混凝土材料的抗渗性和耐久性、抗冻耐蚀等试验，也常常在界面处首先破坏，造成骨料脱落现象。水泥骨料界面过渡区的性能常常决定了混凝土材料的性能。
4.1.1 水泥
水泥是最重要的混凝土组成材料，对混凝土质量和工艺性能有重要影响。水泥是影响混凝土性能的重要因素，合理选择水泥品种、强度等级和用量是提高混凝土性能的关键。
1）水泥种类的选择
各种水泥都有各自的特性，质量的差异较大。水泥品种的选择应根据工程性质与特点、工程所处的环境及施工条件来确定。必须根据结构类型、使用地点、气候条件、施工季节、工期长短、施工方法优选出满足工程质量要求、价钱低廉的水泥。常用水泥品种的选用可以参考本书表3-9。
2）水泥强度等级的选择
选用水泥时，应以能使所配制的混凝土强度达到要求、收缩小、和易性好和节约水泥为原则。普通混凝土的强度与水灰比、骨料性质、配合比等多种因素有关，而关系最大的是水泥的强度。
水泥强度等级要与混凝土的设计强度等级相适应。《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB 50204—92）规定，一般水泥强度等级为混凝土强度的1.5～2.0倍为宜，而配制高强度等级的混凝土时水泥强度等级取混凝土强度的0.9～1.5倍。规范JTJ 041—89规定：对于30号以下的混凝土水泥标号宜为混凝土标号的1.2～2.2倍；对于30号以上的混凝土宜为混凝土标号的1.0～1.5倍。配制C50～C80级强度等级混凝土（简称高强混凝土），应选择强度等级不低于42.5级的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。
采用高强度等级水泥配制低强度等级混凝土时，只需少量的水泥或较大的水灰比就可满足强度要求，但往往满足不了施工和易性的要求，并且硬化后的耐久性较差。为了满足混凝土拌和物和易性和耐久性要求，就必须再增加一些水泥用量，这样往往产生超强现象，也不经济，因而不宜用高强度等级水泥配制低强度等级的混凝土。
用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝土时难以达到要求的强度，为达到强度要求需采用很小的水灰比或者很高的水泥用量，导致硬化后混凝土的干缩变形和徐变大，对混凝土结构不利，易干裂。同时，水化放热量也大，对大体积或较大体积的工程也极为不利，此外经济上也不合理。所以，不宜用低强度等级水泥配制高强度等级的混凝土。
4.1.2 骨料
骨料，又称集料。
按照粒径大小可分为粗骨料（粒径＞4.75mm）和细骨料（粒径＜4.75mm）。卵石、碎石是最常用的粗骨料，砂是最常用的细骨料。
按形成的条件，骨料可以分为天然骨料和人造骨料。天然骨料包括砂、砾石或者用天然岩石加工成的碎石。人造骨料，是用不同原材料和工艺人工制成的，多为轻骨料。3
按骨料的容重，可以分为超轻质（＜500kg/m）、轻质（500～33800kg/m）、结构用轻质（650～1100kg/m）、正常重（1100～331750kg/m）和特重（＞2100kg/m）五种。
粗、细骨料在混凝土中占有的体积为70%～80%。在混凝土中，粗、细骨料一起形成骨架，水泥浆填充在骨架的空隙间。骨料在混凝土中并不是一种惰性填充料，而是在相当程度上影响着混凝土的强度、体积稳定性和耐久性，有时甚至于起着决定性的作用。
1）细骨料（砂）（1）细骨料的来源
混凝土用砂分为天然砂和人工砂两种。天然砂是由天然岩石经长期风化等自然条件作用而形成的大小不等、由不同矿物颗粒组成的混合物，为粒径在4.75mm以下的岩石颗粒。
天然砂按其产源不同可分为河砂、湖砂、海砂及山砂等几种。河砂、湖砂、海砂是在河流、湖泊及大海等天然水域中形成和堆积的岩石碎屑，它们由于长期受水流的冲刷作用，因而具有颗粒表面比较圆滑而清洁的特点，而且这些砂资源丰富，价格较低。但海砂中常含有贝壳碎片及盐类等有害杂质，使用时应冲洗，氯盐和有机不纯物含量不得超过国家标准的规定，在钢筋混凝土特别是预应力混凝土中应慎用。山砂是岩体风化后在山谷或旧河床等适当地形中堆积下来的岩石碎屑，它具有颗粒多棱角、表面粗糙、含泥量及有机杂质较多的特点，一般情况下，山砂的表面比较粗糙，需水量比河砂、湖砂和海砂高。相比较而言河砂较为适用，故建筑工程中一般都采用河砂作为细骨料。
人工砂是采用机械的方法将天然岩石破碎、磨制而成，它具有颗粒表面棱角多、比较清洁、砂中片状颗粒及细粉含量较多的特点。由于采用机械方法进行加工，因此人工砂的强度较高，一般只有在当地缺天然砂时才采用它作为混凝土的细骨料。（2）细骨料的技术要求
骨料的细度、级配、颗粒形状、表面状况、含泥量、有害物质含量、坚固性等对混凝土的性能有重要影响。砂按照技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三种类别。
①砂的细度和颗粒级配
砂的细度是砂颗粒在总体上的大小程度，级配是砂颗粒大小的搭配情况（图4-2）。砂的细度和级配对混凝土的性能有重要的影响，也会影响混凝土的经济性。
在混凝土中，骨料表面需要包覆一层水泥浆而起润滑作用，骨料的空隙也需要水泥浆填充以达到密实。
骨料粗细不同，包覆的水泥浆数量也不同。骨料粗时，比表面积小，所需包覆的水泥浆就少，可达到节约水泥的目的；骨料细时，比表面积大，所需的水泥浆数量多，水泥用量增多，除了不经济之外，还会导致水化热大、收缩变形大、易开裂等不良影响。
骨料的级配会影响骨料的空隙率。砂级配好时，大小颗粒搭配合理，可以达到最小的空隙率，所需的水泥浆数量就少，混凝土也容易达成密实；反之，如级配不好，空隙率大，则用于填充在空隙中的水泥浆数量就多，如果水泥浆数量有限则不能有效地填充空隙，混凝土就不密实，会影响混凝土的各种性能。图4-2 颗粒级配与空隙率的关系
砂的细度用细度模数表示，颗粒级配用级配曲线表示，两者都可以通过筛分析方法测定。筛分析方法是采用一套标准筛（方孔筛），孔径分别为9.50mm、4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm和0.15mm，对一定量的砂子进行依次过筛筛分，按筛孔大小将砂子分为不同的颗粒范围。以每级筛上未通过的砂子质量占砂子总量的百分数为分计筛余（%），以大于或等于某级筛的全部分计筛余之和为该号筛的累计筛余（%），见表4-1所示。根据不同筛子的累计筛余，就可以计算出砂子的细度模数，画出级配曲线并判断级配好坏。表4-1 累计筛余的计算
设4.75mm、2.36mm、1.18mm、0.60mm、0.30mm和0.15mm筛的分计筛余分别为a、a、a、a、a、a，累计筛余为A、A、12345612A、A、A、A，则细度模数Mx可计算如下：3456
Mx越大，砂子越粗；反之则越细。《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》确定，砂的粗细程度按细度模数分为粗、中、细三级，其范围为：粗砂：Mx=3.7～3.1；中砂：Mx=3.0～2.3；细砂：Mx=2.2～1.6。
砂按0.630mm筛孔的累计筛余量，分为Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区三个级配区（见表4-2）。每一级配区给出了不同筛孔上的累计筛余范围。砂的颗粒级配应处于表中的任何一个区以内。根据筛分析结果，如果各筛上的累计筛余落在某一级配区内，则该砂级配为合格。通常将级配区用图表示，筛分析结果也在图中给出，并依次连成折线，称为级配曲线。如果级配曲线落在某级配区范围内，则该砂级配合格。表4-2 砂颗粒级配区图4-3 砂的级配区曲线
降10%以上，并且抗冻性与抗磨性也较差。而用粗、中砂拌制混凝土可以提高其强度和拌和物的工作性。
配制混凝土时宜优先选用Ⅱ区砂。当采用Ⅰ区砂时，应提高砂率，并保持足够的水泥用量，以满足混凝土的和易性；当采用Ⅲ区砂时，宜适当降低砂率，以保证混凝土的强度（如图4-3）。
②砂的坚固性
坚固性是指砂在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗破裂的能力。
砂的坚固性用硫酸钠溶液检验，试样经五次循环后其重量损失应符合质量损失的规定。对于有抗疲劳、耐磨、抗冲击要求的混凝土用砂或有腐蚀介质作用或经常处于水位变化区的地下结构混凝土用砂，其坚固性重量损失率应小于8%。
③含泥量和泥块含量
含泥量指砂中粒径小于0.075mm颗粒的含量。泥块含量指砂中粒径大于1.18mm，经水洗、手捏后粒径变成小于0.600mm颗粒的含量。
混凝土中的泥或泥块会影响骨料与水泥石的界面黏结，在混凝土中形成薄弱环节，进而影响混凝土的性能。因此，必须限制其在混凝土中的含量。
④砂中有害物质
骨料中的有害杂质云母会影响水泥与砂子的黏结，黑云母易于风化，影响混凝土耐久性；黏土、淤泥等有害杂质黏附在骨料的表面，会影响水泥石与骨料的黏结力，降低混凝土的强度，增加混凝土的用水量，从而加大混凝土的收缩，降低混凝土的耐久性；硫化物及硫酸盐对水泥有腐蚀作用；有机杂质易于分解腐烂，析出有机酸，对水泥石有腐蚀作用。
砂中如含有云母、轻物质、有机物、硫化物、硫酸盐和氯化物等有害物质，其含量应符合GB 14684的规定。表4-3 砂中的有害物质限值
2）粗骨料（1）粗骨料的定义和来源
普通混凝土的粗骨料有碎石和卵石两种。碎石是由天然岩石或卵石经破碎、筛分而得的粒径大于4.75mm的岩石颗粒。碎石具有表面粗糙、多棱角、较洁净、与水泥浆黏结比较牢固的特点，是土木工程中用量最大的粗骨料。卵石是由自然条件作用而形成的，粒径大于4.75mm的岩石颗粒，又称为砾石。按其产源不同可分为河卵石、海卵石及山卵石等几种，其中以河卵石应用较多。卵石中有机杂质含量较多，与碎石相比，卵石具有表面光滑、拌制混凝土时需水量小、拌和物的和易性较好等特点，但卵石与水泥石的胶结力较差，在相同条件下，卵石混凝土的强度较碎石混凝土的低。粗骨料按照技术要求分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类三种类别。（2）粗骨料的技术要求
①颗粒形状与表面特征
骨料颗粒的形状，最好是近似于球形或立方体的形状，薄片状或细长的骨料本身受力时容易折断，影响混凝土强度，同时会增大混凝土的空隙率，需要更多量的水泥浆才能配制出满足和易性要求的混凝土；有棱角的骨料，在增大空隙率的同时，也增加了骨料之间的摩擦力，也需要有多量的水泥浆才能配制出满足和易性要求的混凝土。
碎石具有棱角，表面粗糙，碎石的内摩擦力大，与水泥黏结较好；碎石表面积比卵石大，与水泥石的黏结性好，有利于配制高强度混凝土。在水泥用量和用水量相同的情况下，碎石拌制的混凝土由于自身的内摩擦力大，拌和物的流动性降低，但碎石与水泥石的黏结较好，因而混凝土的强度较高。相同条件下，碎石混凝土比卵石混凝土强度高10%左右。在流动性和强度相同的情况下，采用碎石配制的混凝土水泥用量较大。而卵石多为圆形或椭球形，表面光滑，拌制的混凝土的流动性较好，但骨料与水泥的黏结较差，强度较低。当水灰比大于0.65时，二者配制的混凝土的强度基本上没有什么差异，然而当水灰比较小时强度相差较大。
②最大粒径与颗粒级配
骨料公称粒级的上限称为该粒级的最大粒径。粗骨料的最大粒径对混凝土的性能有重要的影响，也会影响混凝土的经济性。粗骨料最大粒径增大时，骨料总表面积减小，因此包裹其表面所需的水泥浆量减少，可节约水泥，并且在一定和易性及水泥用量条件下能减少用水量，提高混凝土强度。水泥用量下降，水化热随之降低，混凝土所产生的收缩裂纹机会降低。但是对于用普通混凝土配合比设计方法配制结构混凝土尤其是高强混凝土时，当粗骨料的最大粒径超过40mm时，由于减少用水量获得的强度提高，被较少的黏结面积及大粒径骨料造成不均匀性的不利影响所抵消，因而并没有什么好处。因此，在可能的情况下，粗骨料最大粒径应尽量选用大一些的。
最大粒径的确定，还要受到混凝土结构截面尺寸和配筋间距以及搅拌机和输送管道等条件的限制。《混凝土结构工程施工及验收规范》规定，混凝土用粗骨料的最大粒径不得大于结构截面最小尺寸的1/4，且不得大于钢筋间最小净距的3/4。对于混凝土实心板，骨料的最大粒径不宜超过板厚的1/2，且不得超过50mm。泵送混凝土用的碎石不应大于输送管内径的1/3，卵石不应大于输送管内径的2/5。
骨料级配是指骨料中不同粒径颗粒的搭配情况。骨料级配的好坏与混凝土是否具有良好的和易性、密实性有很大的关系，好的级配可以减少混凝土的需水量、空隙率，提高混凝土的耐久性。粗骨料级配合理良好，其空隙率越小，填充在其间的砂子少，包裹在砂子表面的水泥浆数量减少，单位体积混凝土的水泥砂浆用量降低。良好级配的骨料，不仅所需水泥浆量较少，经济性好，而且还可以提高混凝土的和易性、密实度和强度。
粗骨料的级配有连续级配、间断级配和单粒级之分。
连续级配是将石子按其尺寸大小分级，其分级尺寸是连续的。连续级配的混凝土一般和易性良好，不易发生离析现象，是常用的级配方法。
间断级配是有意剔除中间尺寸的颗粒，使大颗粒与小颗粒间存在断档。按理论计算，当分级增大时，骨料空隙率降低的速率较连续级配快，因而间断级配可较好地发挥骨料的骨架作用而减少水泥用量。但容易产生离析现象，和易性较差。
连续级配及间断级配一般由各种单粒级组合为所要求的级配。单粒级也可与连续级配混合使用，以改善级配或配成较大粒度的连续级配。单粒级不宜用单一的单粒级配制混凝土。如必须单独使用，则应作技术经济分析，并应通过试验证明不会发生离析或影响混凝土的质量。
粗骨料的级配也是采用筛分析方法进行测定，按不同规格粗骨料各号筛的累计筛余情况评定级配是否合格。国家标准规定了不同规格的碎石或卵石的级配，如表4-4所示。颗粒级配不符合表中要求时，应采取措施并经试验证实能确保工程质量方允许使用。表4-4 碎石或卵石的颗粒级配范围
③泥、泥块与有害物质
含泥量指粒径小于0.075mm的颗粒的含量。泥块含量指骨料中粒径大于4.75mm，经水洗、手捏后粒径变成小于2.36mm的颗粒的含量。
黏土、淤泥、细屑等粉状杂质本身强度极低，且总表面积很大。砂、石中的黏土、淤泥、细屑等粉状杂质含量增多，因包裹其表面所需的水泥浆量增加，造成混凝土的流动性降低。为保证拌和料的流动性，将使混凝土的拌和用水量增大，即W/C增大；黏土等粉状物还黏附在骨料的表面，降低水泥石与砂、石间的界面黏结强度，从而导致混凝土的强度和耐久性降低，变形增大；若保持强度不降低，必须增加水泥用量，但这将使混凝土的收缩变形增大，降低混凝土的耐久性。
泥块对混凝土性能的影响与上述粉状物的影响基本相同，但对强度和耐久性的影响程度更大。
一些有机杂质、硫化物及硫酸盐会影响水泥正常水化，引起水泥石腐蚀破坏，发生碱骨料反应，降低混凝土的耐久性。因此，国家标准中规定了碎石或卵石中的硫化物和硫酸盐含量，以及卵石中有机杂质等有害物质含量。另外，如发现有颗粒状硫酸盐或硫化物杂质的碎石或卵石，则要求进行专门检验，确认能满足混凝土耐久性要求时方可采用。
④强度与坚固性
混凝土中粗骨料起大的骨架作用。为保证混凝土的强度要求，粗骨料必须质地致密，具有足够的强度，尤其在配制高强混凝土时，避免混凝土受压时粗骨料首先被压碎，导致混凝土强度降低，影响其耐久性。
碎石的强度可用岩石的立方体抗压强度和压碎指标值表示；卵石的强度用压碎指标值表示。岩石的立方体抗压强度直接测定生产碎石的母岩的强度。岩石强度首先应由生产单位提续表4-4供，混凝土强度等级为C60及以上时应进行岩石抗压强度检验，其他情况下如有怀疑或认为有必要时也可进行岩石的抗压强度检验。岩石的抗压强度与混凝土强度等级之比不应小于1.5，且火成岩强度不宜低于80MPa，变质岩不宜低于60MPa，水成岩不宜低于30MPa。
母岩的立方体抗压强度要从矿山中取样，并进行切、磨加工，测定过程比较复杂。工程中通常采用压碎指标值进行质量控制。压碎指标值通过测定碎石或卵石抵抗压碎的能力，间接反映骨料的强度。国家标准规定将直径在9.5～19.0mm的风干试样装入压碎指标测定仪，加荷至200kN并稳定5s，通过2.36mm筛的颗粒质量占试样质量的百分数即为压碎指标值（如图4-4）。图4-4 粗骨料压碎指标的测定
骨料的坚固性是指碎石或卵石在气候、环境变化或其他物理因素作用下抵抗碎裂的能力。碎石或卵石的坚固性用硫酸钠溶液法检验，试样经五次循环后，其重量损失应符合规定。
有腐蚀性介质作用或经常处于水位变化区的地下结构或有抗疲劳、耐磨、抗冲击等要求的混凝土用碎石或卵石，其重量损失应不大于8%。
⑤碱骨料反应
砂、石中的活性氧化硅会与水泥或混凝土中的碱产生碱骨料反应。该反应的结果是在骨料表面生成一种复杂的碱硅酸凝胶，在潮湿条件下由于凝胶吸水而产生很大的体积膨胀，胀裂硬化混凝土的水泥石与骨料界面，使混凝土的强度、耐久性等下降。碱骨料反应往往需要几年、甚至十几年以上才表现出来，但对混凝土的损伤很大，通常称“碱骨料反应”为混凝土的“癌症”，故必须限制砂、石中活性氧化硅的含量。能与水泥或混凝土中的碱发生化学反应的骨料称为碱活性骨料，对重要工程的混凝土所使用的碎石和卵石应进行碱活性检验。
⑥骨料的含水状态
砂、石的含水状态可以分为干燥状态、气干状态、饱和面干状态和湿润状态四种，如图4-5所示。干燥状态下骨料含水量近似于零；气干状态的骨料含水率与大气湿度平衡；饱和面干状态的骨料内部孔隙吸水饱和而表面干燥；湿润状态的骨料除了内部孔隙吸水饱和外，表面还附着部分自由水。计算普通混凝土初步配合比时要求是以干燥状态为基准。图4-5 骨料的含水状态
3）拌和及养护用水
水是混凝土重要的组成材料，水质对混凝土的和易性、凝结时间、强度发展、耐久性及表面效果都有影响。
混凝土拌和用水按水源可分为饮用水、地表水、地下水、海水，以及经适当处理或处置后的工业废水。符合国家标准的生活饮用水可拌制各种混凝土；地表水和地下水首次使用前应按标准进行检验。
用海水拌制混凝土时，由于海水中含有较多硫酸盐，混凝土的凝结速度加快，早期强度提高，但28d及后期强度下降（28d强度约降低10%），同时抗渗性和抗冻性也下降。当硫酸盐的含量较高时，还可能对水泥石造成腐蚀。同时，海水中含有大量氯盐，对混凝土中钢筋有加速锈蚀作用，因此对于钢筋混凝土和预应力混凝土结构不得采用海水拌制混凝土。
对有饰面要求的混凝土也不得采用海水拌制，因为海水中含有大量的氯盐、镁盐和硫酸盐，混凝土表面会产生盐析而影响装饰效果。
用于混凝土中的水，不允许含有油类、糖酸或其他污浊物，否则会影响水泥的正常凝结与硬化，甚至造成质量事故。《钢筋混凝土工程施工验收规范》要求，混凝土拌和用水宜采用饮用水。用其他水做混凝土拌和水时，其质量必须达到表4-5中的要求。表4-5 混凝土拌和用水水质要求4.2 混凝土拌和物的和易性
把组成混凝土的各种材料按比例拌和在一起，形成的混合物称为混凝土拌和物，又称为新拌混凝土。新拌混凝土硬化后，则为硬化混凝土。混凝土的性能也相应分为两个部分，即新拌混凝土的性能和硬化混凝土的性能。新拌混凝土的性能主要是指和易性，硬化混凝土的性能则包括强度、变形、耐久性等方面。
和易性影响拌和物制备及捣实设备和选择，影响硬化混凝土的性质，因而非常重要。
4.2.1 和易性的概念
在混凝土施工时，常发生离析和泌水等现象。离析是新拌混凝土的各个组分发生分离，致使其分布不再均匀的一种现象。离析可以表现为粗骨料颗粒从拌和物中分离出来，也可以表现为水泥浆（水泥加水）从拌和物中分离出来。泌水是混凝土在浇灌捣实以后凝结之前，水从拌和物中分离出来的一种现象，它也是一种离析。混凝土离析和泌水造成混凝土组成不均匀，将严重影响混凝土性能。和易性就是描述混凝土是否便于施工的性能。
混凝土和易性是指混凝土拌和物能保持其组成成分均匀，不发生分层离析、泌水等现象，适于运输、浇筑、捣实成型等施工作业，并能获得质量均匀、密实的混凝土的性能。
和易性包括流动性、黏聚性和保水性三方面的含义。（1）流动性是指混凝土拌和物在自重或机械振捣力的作用下能产生流动并均匀密实地充满模型的性能。（2）黏聚性是指混凝土拌和物内部组分间具有一定的黏聚力，在运输和浇筑过程中不致发生离析分层现象，而使混凝土能保持整体均匀的性能。（3）保水性是指混凝土拌和物具有一定的保持内部水分的能力，在施工过程中不致产生严重的泌水现象的性能。
混凝土拌和物的流动性、黏聚性及保水性，三者之间是互相关联又互相矛盾的。当流动性很大时，往往黏聚性和保水性差；反之亦然。因此，所谓拌和物和易性良好，就是要使这三方面的性质在某种具体条件下统一起来，达到总体上的最优。
4.2.2 和易性的指标与测定
混凝土和易性很复杂，很难找到一个指标加以全面反映。目前评定和易性的方法是定量测定混凝土的流动性，辅以直观地检查黏聚性和保水性。
混凝土拌和物的流动性以坍落度或维勃调度作为指标。
1）坍落度
坍落度是测试混凝土拌和物在自重作用下产生流动的能力，是使用最悠久和最广泛的测试混凝土和易性的方法（如图4-6）。坍落度测试采用坍落度筒，为一规定大小的中空截头圆锥，按规定的方法用混凝土将坍落度筒填满，接着垂直地提起来。筒内混凝土坍落的高度即为坍落度，单位为mm。坍落度值越大，表明流动性越大。图4-6 坍落度测定
坍落度测试并没有反映和易性的实质，也就是压实混凝土所需要的能量，不同的混凝土可能会测量得到相同的坍落度；测试主要依靠经验，不同的测试者对同一混凝土的测试也可能有较大差别；它适用于流动性较大的混凝土拌和物，对坍落度很小的干硬性混凝土不适用。尽管如此，坍落度测试还是提供了有用的信息，是一个有价值的质量控制手段。
在用坍落度测试流动性的同时，还要目测检查混凝土的黏聚性与保水性。对于黏聚性，主要观测拌和物各组分相互黏聚情况。评定方法是用捣棒在已坍落的混凝土锥体侧面轻打，如锥体在轻打后逐渐下沉，表示黏聚性良好；如锥体突然倒坍、部分崩溃或发生石子离析现象，即表示黏聚性不好。对于保水性，主要观察水分从拌和物中析出情况。提取坍落度后，如有较多水分、少量水分、没有水分从底部析出，则保水性为差、中、好。
混凝土按坍落度大小可以分为低塑性混凝土（坍落度为10～40mm）、塑性混凝土（坍落度为50～90mm）、流动性混凝土（坍落度为100～150mm）、大流动性混凝土（坍落度为160mm及以上）四级。
工程中选择混凝土拌和物的坍落度，主要依据构件截面尺寸大小、配筋疏密和施工捣实方法等来确定。当截面尺寸较小或钢筋较密，或采用人工插捣时，坍落度可选择大些；反之，如构件截面尺寸较大，钢筋较疏，或采用振动器振捣时，坍落度可选择小些。
正确选择混凝土拌和物的坍落度，对于保证混凝土的施工质量及节约水泥有重要意义。在选择坍落度时，原则上应在不妨碍施工操作并能保证振捣密实的条件下，尽可能采用较小的坍落度，以节约水泥并获得质量较高的混凝土。
2）维勃稠度
对于坍落度小于10mm的混凝土，用坍落度指标不能有效地表示其流动性，此时应采用维勃稠度指标。维勃稠度用维勃稠度仪进行测定，其基本组成也是一个截头圆锥筒，将其置于一圆筒内，并放置在一个振动台上，在坍落度筒上部设有一透明玻璃圆盘，如图4-7所示。试验时先将混凝土拌和物按规定方法装入圆锥筒内，装满后垂直向上提走圆锥筒，再在拌和物顶面盖上透明玻璃圆盘。打开振动台，同时开始计时，记录玻璃圆盘表面布满水泥浆时所用的时间，此时间（单位为s）即为维勃稠度值。维勃稠度反映的是混凝土拌和物在外力作用下的流动性。
混凝土按维勃稠度值大小可分为超干硬性混凝土（维勃稠度在31s及以上）、特干硬性混凝土（维勃稠度在21～30s）、干硬性混凝土（维勃稠度在11～20s）、半干硬性混凝土（维勃稠度在5～10s）四级。
4.2.3 影响和易性的主要因素
混凝土的和易性受到各组成材料的影响，包括水泥特性与用量，细骨料和粗骨料的级配形状、砂率、引气量以及火山灰材料的数量，用水量和外加剂的用量和特性等。这些因素的影响主要有以下几个方面：
1）水泥浆的数量
水泥浆越多则流动性越大，但水泥浆过多时，拌和料易产生分层、离析，即黏聚性明显变差；水泥浆太少则流动性和黏聚性均较差。
2）水泥浆的稠度（水灰比）
稠度大则流动性差，但黏聚性和保水性则一般较好；稠度小则流动性大，但黏聚性和保水性较差。图4-7 维勃稠度仪1—容器；2—坍落度筒；3—透明圆盘；4—喂料斗；5—套筒；6—定位螺钉；7—振动台；8—荷重；9—支柱；10—旋转架；11—测杆螺丝；12—测杆；13—固定螺丝
实性。同时，增加水量可能会导致离析和泌水，当然还会影响强度。混凝土拌和物需要一定的水量来达到可塑性。必须有足够的水吸附在颗粒表面，水泥浆要填满颗粒之间的空隙，多余的水分包围在颗粒周围形成一层水膜润滑颗粒。颗粒越细，比表面积越大，需要的水量越多，但没有一定的细小颗粒，混凝土也不可能表现出可塑性。拌和物的用水量与骨料的级配密切相关。越细的骨料需要越多的水。《普通混凝土配合比设计标准》（JGJ 55—2000）给出了塑性和干硬性混凝土的单位用水量（表4-6），当水灰比在0.4～0.8时，根据粗骨料品种、粒径和施工坍落度或维勃稠度要求进行选择。对于水灰比在0.4～0.8范围外的混凝土以及采用特殊成型工艺的混凝土，通过试验确定用水量。表4-6 塑性和干硬性混凝土的单位用水量
3）砂率
砂率是混凝土中砂的质量与砂和石总质量之比。砂率的变动，会引起骨料的总表面积和空隙率发生很大的变化，对混凝土拌和物的和易性有显著的影响。
当砂率过大时，骨料的总表面积和空隙率均增大，在混凝土中水泥浆量一定的情况下，拌和物就显得干稠，流动性就变小，如要保持流动性不变，则需增加水泥浆，就要多耗用水泥。反之，若砂率过小，则拌和物中显得石子过多而砂子过少，形成砂浆量不足以包裹石子表面，并不能填满石子间空隙，使混凝土产生粗骨料离析、水泥浆流失，甚至出现溃散等现象。
砂率过大或过小，混凝土的流动性均降低，因此砂率有一个最佳值。合理砂率是指在用水量、水泥用量一定的情况下，能使拌和料具有最大流动性，且能保证拌和料具有良好的黏聚性和保水性的砂率。或是在坍落度一定时，使拌和料具有最小水泥用量的砂率（如图4-8）。图4-8 合理砂率的试验确定
影响合理砂率的主要因素有砂、石的细度，砂、石的品种与级配，水灰比以及外加剂等（见表4-7）。石子越大、砂子越细、级配越好、水灰比越小，则合理砂率越小。采用卵石和减水剂、引气剂时，合理砂率较小。表4-7 混凝土的砂率（%）《普通混凝土配合比设计标准》（JGJ 55—2000）规定，对于坍落度在10～60mm范围的混凝土，砂率可根据粗骨料品种、粒径及水灰比选取。对于坍落度大于100mm的，按坍落度每增大20mm，砂率增大1%的幅度调整。对于坍落度大于60mm或小于10mm的混凝土及掺用外加剂的混凝土，应通过试验确定砂率。
4）其他影响因素
水泥品种、骨料种类、粒形和级配以及外加剂等，都对混凝土拌和物的和易性有一定影响。
骨料的外形和特征影响和易性。一般认为，骨料越接近球形，和易性越好，因为球形颗粒容易在拌和物内滚动，其表面所需的水泥浆数量也少一些。有棱角的颗粒滚动性差，粗骨料中扁平或细长的颗粒也会使和易性变差。光滑的颗粒比粗糙的颗粒和易性好。骨料的孔隙率也会影响和易性。开孔孔隙率大，则骨料吸水性大，可能会使拌和物和易性变差。掺入减水剂、引气剂等外加剂可以显著改善混凝土的和易性。
4.2.4 和易性的调整
在工程实践中要配制出和易性的混凝土，一般可采取以下措施：①尽可能降低砂率，采用合理砂率；②改善砂、石级配，采用良好级配；③尽可能采用粒径较大的砂、石；④采用减水剂、引气剂等合适的外加剂。
如果和易性不能满足要求，可以视具体情况做以下调整：①坍落度小，黏聚性和保水性好时，调整方法为增加水泥浆数量；②坍落度大，黏聚性和保水性好时，调整方法为保持砂率不变，增加骨料用量；③黏聚性和保水性不好时，调整方法为提高砂率。在进行和易性调整时，要注意不能轻易改变混凝土的水灰比，因为水灰比的变化会引起混凝土的强度、耐久性等性能发生变化。4.3 混凝土的强度
混凝土是粗、细骨料和胶凝材料形成的混合物，在各组成材料之间形成界面。界面是混凝土中最薄弱的地方，普通混凝土破坏是界面破坏。强度是混凝土最主要的力学性质，因为混凝土主要用于承受各种荷载或抵抗各种作用力。混凝土的抗压强度最大，抗拉强度最小，因此混凝土在结构工程中主要承受压力。混凝土强度与混凝土的其他性质关系密切，一般来说，混凝土的强度越高，其刚性、不透水性、抵抗风化等能力也越高，所以强度是混凝土综合质量评定的重要指标。
4.3.1 混凝土的立方体抗压强度与强度等级
以边长为150mm的立方体标准试件，在20±3℃的温度和相对湿度在90%以上标准条件的潮湿空气中养护28d，用标准试验方法（试件两端不涂润滑剂，加载速度C30以下为0.3～0.5MPa/sec, C30以上为0.5～0.8MPa/sec）测得的某混凝土的抗压强度，具有95%保证率2的抗压强度，称为立方体抗压强度标准值f（N/mm或MPa）。cu,k
由于混凝土是一种很好的抗压材料，在混凝土结构中主要用于承受压力，以混凝土立方体抗压强度作为划分混凝土的主要标准，可以较好地反映混凝土的主要受力特性。同时，混凝土的其他力学性能，如轴心抗压强度和轴心抗拉强度等，都与混凝土立方体抗压强度有一定的关系。另外，立方体抗压试验最简单，结果最稳定。所以《混凝土结构设计规范》GB 50010—2002以f作为划分混凝土强度等级cu,k（标号）的依据。混凝土强度等级分为C15、C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60、C65、C70、C75、C80十四级，其中C50及以上为高强度等级。
4.3.2 混凝土的轴心抗压强度
混凝土轴心抗压强度f，又称棱柱体抗压强度，是采用150mm×ck150mm×300mm棱柱体试块测得的抗压强度，试验条件同立方抗压强度。
混凝土强度与试件的高度与宽度比h/b有关，h/b越大，混凝土的强度越低。但当h/b=3～4时，测得的混凝土强度趋于稳定，能反映混凝土的实际抗压能力。这是因为在此范围内有足够的高度消除垫板与试件之间摩擦力对抗压强度的影响，使试件的中段形成纯压状态；合适的高度又可消除可能的附加偏心距对试件抗压强度的影响。
轴心抗压强度比较接近实际构件中混凝土的受压情况，对于同一等级的混凝土，棱柱体抗压强度小于立方体抗压强度。换算关系为：
f=0.88·α′·α′·f （4-2）ckA1A2cu,k
式中：0.88——鉴于实际构件与试件在制作和养护造成的强度差异的折减系数。
α′——棱柱体强度与立方体强度之比。当混凝土强度等级≤C50A1时，α′=0.76；C80时，α′=0.82；C50～C80时，α′通过线性内插A1A1A1得到。
α′——考虑混凝土脆性的修正系数。混凝土强度提高，脆性也A2会明显提高。当混凝土标号≤C40，α′=1.00；C80的混凝土，αA2A′=0.87，C40～C80以上等级的混凝土，α′通过线性内插得到。2A2
美国、日本、欧洲混凝土协会CEB等采用圆柱体试件（直径6英寸、高12英寸的圆柱体试件）测得的抗压强度作为轴心抗压强度的指标。换算关系大致为f′=0.79f。ccu,k
4.3.3 混凝土的抗拉强度
混凝土在受到拉伸作用时，在变形很小时就会开裂，呈现出脆性破坏。混凝土很少承受拉力，但抗拉强度对减少混凝土裂缝有重要意义。在结构设计中，抗拉强度是确定结构抗裂度的重要指标，有时也用抗拉强度间接衡量混凝土与钢筋的黏结强度。
混凝土抗拉强度可用直接轴心拉伸试验来测定，采用的试件为100mm×100mm×500mm的棱柱体，破坏时试件中部产生横向裂缝，破坏截面上的平均拉应力即为轴心抗拉强度ft。直接测定抗拉强度时，存在试件内部的不均匀性，安装偏差引起的试件偏心、受扭等问题影响测试结果。所以通常又采用劈裂抗拉试验间接测定抗拉强度的方法。
劈裂试验中采用边长（直径）为150mm的立方体标准试件，通过弧形钢垫条施加压力F，试件中间截面有着均匀分布的拉应力，当拉应力达到混凝土的抗拉强度时试件劈裂成两半。劈裂抗拉强度可按下式计算：
混凝土的劈裂抗拉强度略大于直接轴心抗拉强度。
混凝土抗拉强度只有立方抗压强度的1/17～1/8，平均为1/10，混凝土强度越高，比值越小。提高混凝土的强度等级对提高抗拉强度的效果不大，对提高抗压强度的作用比较大。
4.3.4 混凝土的抗弯强度
混凝土路面在车辆荷载作用下受到弯曲作用。进行路面设计和施工验收时，采用的是混凝土的抗弯强度。抗弯强度采用标准的小梁进行测试，尺寸为150mm×150mm×550mm。通常采用三分点加载，也可以采用中心加载方式。中心加载测出的强度较三分点加载为高。抗弯强度对尺寸很敏感。加载速率与温度对测试结果的影响与抗压强度相同。
4.3.5 影响混凝土强度的主要因素
普通混凝土中骨料水泥石界面最薄弱，混凝土的破坏是从界面处开始的。影响混凝土界面的因素也就是影响强度的最主要因素。混凝土中各组成材料对强度都有影响，环境条件和施工方法也都影响强度；另外，测试条件也影响强度测定值。
1）水灰比（W/C）和水泥强度等级
水灰比和水泥强度等级是决定混凝土强度的最主要因素，也是决定性因素。
水灰比不变时水泥的强度等级越高，则硬化水泥石强度越高，对骨料的黏结力越强，混凝土强度也越高。水泥的强度在等级相同的条件下，混凝土强度主要取决于水灰比。从理论上讲，水泥水化时所需要的结合水，一般只占水泥质量的23%，但拌制混凝土为了保证和易性的要求，常需要多加入一些水。当混凝土硬化后，多余的水分就残留在混凝土中或蒸发后形成气孔或孔道，大大降低了混凝土承受荷载的有效面积，而且孔隙周围引起应力集中。因此在水泥的强度等级相同的情况下水灰比越小，水泥石强度越高，与骨料的黏结力越强，混凝土强度也越高。但是如果水灰比过小，拌和物过于干稠，不能很好地振捣密实，混凝土强度反而会严重下降。
对于满足水灰比法则的混凝土，在不使用引气剂的情况下，C/W与抗压强度的关系大致可表示如下：
式中：f——混凝土的强度；cu,k
f=α f （C/W-α） （4-4）cu,kAceB
α、α——与骨料有关的常数（粗骨料为碎石时，α=0.46，ABAα=0.07；粗骨料为卵石时，α=0.48，α=0.33）。BAB
f ——水泥的强度；ce
对于引气混凝土，C/W与强度的关系与空气量有关，在某一固定的水灰比情况下，每增加1%的空气量，抗压强度减少4%～6%。
式 （4-4）称为混凝土的强度公式，它用简洁的形式给出了W/C和水泥标号对混凝土强度的影响，同时也考虑到骨料的影响。但这一公式成立的条件是混凝土必须是成型密实的，通常适用于塑性混凝土。若能充分捣实混凝土，强度公式对于低水灰比也是成立的，例如在采用超塑化剂的情形之下，混凝土在低水灰比下就能成型密实，强度公式仍然成立。这个公式的重要意义在于，可以从采用的原材料估计混凝土的强度。在进行配合比设计的时候，采用此公式可以方便地求出对应强度要求的混凝土的水灰比，大大方便了配合比设计。
2）温度和湿度
混凝土的强度极大地受所处的环境条件的影响。一定的温度和湿度条件是混凝土中胶凝材料正常水化的条件，也是混凝土强度发展的必要条件。
混凝土中水泥的水化作用受养护温度的影响极大，养护温度越高，初期的水化作用越快，早期强度也越大。温度降低，则水泥水化减慢，早期强度将明显降低。
当环境温度低于混凝土中水的冰点时，混凝土就会产生冻结。水泥混凝土在-0.5～-2.0℃时冻结。假如冻结，水泥就不发生水化作用。冻结的混凝土，如在适当温度下养护，强度会有某种程度的增长，但与标准养护的混凝土相比，强度明显降低。但是，如果混凝土有某种程度的硬化，冻结后养护充分，也可恢复其强度。当抗压强度达到40MPa时，冻害的影响就不大了。
混凝土在连续不断的湿润养护下，其强度随着龄期的增长而增长。如果混凝土干燥，水泥的水化作用马上就会停滞。刚浇筑后就暴露在室外的试件，龄期为6个月的抗压强度，是连续潮湿养护、同龄期6个月的压强的40%。
由于混凝土的强度受温度和湿度影响很大，在工程中，要特别注意对混凝土进行养护。
养护就是在混凝土浇注后给予一定的温度、湿度环境条件，使其正常凝结硬化。许多混凝土质量事故都是由于养护不当所造成的。
按养护的条件不同，混凝土的养护有标准养护、自然养护、蒸汽养护和蒸压养护之分。标准养护是在温度为20±2℃、相对湿度≥95%条件下进行的养护，评定强度等级时需采用该养护条件。
自然养护是指对在自然条件（或气候条件）下的混凝土适当地采取一定的保温、保湿措施，并定时定量地向混凝土浇水，保证混凝土材料强度能正常发展的一种养护方式。
蒸汽养护是将混凝土在温度＜100℃、压力为1atm的水蒸气中进行的一种养护。蒸汽养护可提高混凝土的早期强度，缩短养护时间。蒸汽养护的温度与混凝土所采用的水泥品种有关，对普通水泥为80℃左右，矿渣、火山灰水泥为90℃左右。普通水泥和硅酸盐水泥在蒸汽养护后早期强度提高，但后期强度则较正常养护的混凝土低。
蒸压养护是将混凝土材料在8～16atm下，175～203℃的水蒸气中进行的一种养护。蒸压养护可大大提高混凝土材料的早期强度，后期强度也不降低。
3）龄期
混凝土的强度随时间推移而增长。初期强度增长速度快，后期增长速度慢并趋于稳定。龄期为4周的强度大致稳定，混凝土的强度通常取28d强度作为代表值。掺有粉煤灰的混凝土等在更长时间内强度才达到稳定，通常采用90d的强度为代表值。在适宜的环境条件下，混凝土强度增长过程往往延续几年，对应于水泥水化的长期过程。在潮湿环境中强度发展往往延续时间更长。
在工程实际中，强度与龄期的关系是很重要的，例如希望尽早知道混凝土能否达到设计强度等级，估计混凝土达到某一强度所需要养护的天数，确定混凝土能否进行拆模、构件起吊、预应力放张等工艺操作等，通常用28d强度作为混凝土的强度值，其他龄期的强度或性能也通常与28d强度联系起来。实践表明，由中等强度等级的普通水泥配制的混凝土，在标准养护条件下，其强度发展大致与龄期的常用对数成正比。可表示如下：
式中：f——混凝土nd龄期的抗压强度（MPa）；n
f——混凝土28d龄期的抗压强度（MPa）；28
n——养护龄期（d），n≥3。
为便于混凝土施工操作，还建立了不同水泥品种、不同的养护条件、不同标号的混凝土随龄期变化的强度发展曲线。
4）试验条件对强度测定值的影响（1）试验机上下压板的光滑情况影响测定的强度大小
则使压板与试件的摩擦力大大减小，横向变形几乎不受约束，时间沿着与力的作用方向平行地产生几条裂缝而被破坏，此方法测得的强度会较低。图4-9“环箍效应”示意图（2）试件的尺寸大小影响混凝土强度测试值
试件尺寸小，测得的强度高；试件较大时，测得的强度较低。原因是：小试件内部有缺陷的概率小、内部与表面硬化的差异小。当采用200mm×200mm×200mm和100mm×100mm×100mm的非标准试件测定混凝土强度时，实测强度偏低和偏高，换算成标准试件时，要分别乘以系数1.05和0.95。在试验中承压面摩擦力对小试件的影响大，环箍效应作用较强，所以测得的强度高；相反，试件较大时，测得的强度较低。（3）加荷速度
加荷速度也影响混凝土强度测试结果：加荷速度快，测得的强度高；反之，加荷速度慢，测得的强度偏低。加载越快，内部缺陷还未来得及反应，所以测得的强度高。
4.3.6 提高混凝土强度的措施
1）采用高标号水泥和快硬早强类水泥
采用高标号水泥，可以提高界面黏结性，配制高强度混凝土。快硬早强类水泥可提高早期强度。
2）采用低水灰比的干硬性混凝土
干硬性混凝土水灰比小，在成型密实的情况下可以提高强度。
3）采用湿热处理
采用蒸汽养护或蒸压养护，可以提高混凝土的强度。
4）采用机械搅拌和振捣
采用机械搅拌和振捣，可比人工拌和更均匀，比人工插捣更密实。在机械搅拌和振捣下，混凝土更容易达到液化，可以在更低的水灰比下达到成型密实，因而可以提高强度。
5）掺用外加剂和掺和料
掺加减水剂，可以降低水灰比，提高强度；采用早强剂，可以提高早期强度；掺入活性掺和料，有利于提高混凝土强度。4.4 混凝土的变形性能
在硬化前后，混凝土会产生体积变化。这些体积变化如果过大，会产生高的应力，引起开裂，导致混凝土性能劣化。了解这些体积变化对正确使用混凝土材料是非常重要的。
如果混凝土处于自由状态，通常并不十分关注它的体积变化。但是，混凝土通常受到基础、基层、钢筋或邻近的构件所限制，因而易产生应力，引起损伤甚至于破坏。由于混凝土抗拉强度大大低于抗压强度，限制收缩所引起的拉应力比膨胀所引起的压应力更为重要。由于温度、湿度以及外荷载所引起的体积变化通常是部分可逆或完全可逆的。但是，由于不恰当的材料或因化学和机械作用所引起的体积变化则往往是不可逆的，而且，只要作用持续，体积变化还会累积。
通常，混凝土的体积变化可能是因温度和湿度变化或外荷载所引起的，这些体积变化的大小受许多因素影响。弄清影响体积变化大小的因素，并采取适当的措施，就可以制成裂缝相对较少、体积稳定性较好的混凝土。
混凝土的变形有荷载作用变形和非荷载作用变形。荷载作用变形有短期荷载作用下的变形、长期荷载作用下的变形以及反复荷载作用下的变形。非荷载作用变形又有早期变形和后期变形的区别。早期变形一般包括化学收缩、自身收缩、塑性收缩、干缩等；后期变形则有温度变形、碳化收缩等。混凝土在硬化早期，抗拉强度很低，早期收缩会引起混凝土早期开裂。
4.4.1 非荷载作用下的变形
1）化学收缩
水泥在水化过程中，无水的熟料矿物转变为水化物，水化后的固相体积比水化前要大得多。但是，对于水泥水体系的总体积来说却要缩小，这一体积变化称为化学收缩，又称化学减缩。发生减缩作用的原因是由于水化前后反应物和生成物的平均密度不同。研究结果表明，水泥熟料中四种矿物的减缩作用，无论是绝对值或相对值，铝酸三钙的减缩作用最大，其次是铁铝酸四钙，再其次是硅酸三钙，硅酸二钙减缩作用最小。因此，铝酸三钙或铁铝酸四钙含量较高的水泥化学减缩作用较大，而硅酸盐含量较高的水泥减缩作用较小。
2）塑性收缩
塑性收缩是混凝土在硬化前处于塑性状态时，由于水分从混凝土表面蒸发而产生的体积收缩。
塑性收缩一般发生在混凝土路面或板状结构。这些结构暴露面较大，当表面失水的速率超过了混凝土泌水的上升速率时，会在混凝土中产生毛细管负压，新拌混凝土表面会迅速干燥而产生塑性收缩。此时，若混凝土不足以抵抗因收缩而产生的应力时，混凝土表面就会开裂。这种情况往往在混凝土浇注成型以后的几小时之内就会发生。
当新拌混凝土被底基或模板材料吸水后，也会在其接触面上产生塑性收缩和开裂，也可能会加剧混凝土表面失水所引起的塑性收缩而开裂。
引起混凝土塑性收缩的主要原因是混凝土中水分蒸发速率过大，混凝土因水化温度升高、环境温度高、相对湿度低、风速快都会增加塑性收缩和开裂。
3）自收缩
混凝土自收缩是指混凝土硬化阶段（终凝后几天到几十天），在恒温并且与外界无水分交换的条件下混凝土宏观体积的减小。
一般认为，混凝土自收缩是混凝土中水泥水化引起毛细管张力造成的。具体过程如下：混凝土初凝后，随着水泥不断水化，混凝土内部水量逐渐减少，孔隙和毛细管中的水也逐步吸收减少，在处于水分难以蒸发、同时也难以渗滤的封闭状态粘弹性固态胶凝材料系统中，由于混凝土内部相对湿度的降低而使孔隙中存在一定的气相，随着水泥水化反应的愈演愈烈，孔内水饱和蒸汽压随之降低，导致毛细管中液面形成弯月面，使毛细管压升高而产生毛细管应力，造成混凝土受负压作用，引起混凝土自收缩。在水灰比较高的情况下，混凝土内部形成的毛细管较粗，产生的毛细管张力小，混凝土的自缩值也很小；但在水灰比较低的情况下，混凝土内形成的毛细管很细，产生的毛细管张力很大，混凝土自收缩值也将很大。同时，在混凝土早期强度较低时，混凝土自收缩的发展速度很快。
自收缩发生于混凝土拌和后的初龄期，一般发生在混凝土初凝后，尤其以初凝到1d龄期时最显著。常在模板拆除之前，大部分混凝土自收缩已经产生甚至完成。
影响自收缩的因素很多，水灰比，胶凝材料的品种、细度和活性，温度等环境条件，都会影响自收缩。实际工作中，可以通过选择水泥品种、外加剂种类、矿物掺和料类型及掺量、水灰比等来控制混凝土自收缩。
4）干燥收缩
干燥收缩简称干缩。置于不饱和空气中的混凝土，水从其中蒸发而产生干缩。干缩是部分不可逆的。
受干燥的混凝土的体积变化并不等于失去的水的体积。蒸发的水分，很少引起甚至于不引起收缩。
干缩变形产生的原因是，当饱和水泥浆暴露在低湿度的环境中，水泥浆体中的C—S—H凝胶因毛细孔和胶孔中的水分蒸发失去物理吸附水而产生体积收缩。
影响混凝土收缩的因素很多，比较大的有骨料的特性、混凝土的配合比、养护条件与龄期等。骨料对干缩起抑制作用。骨料的弹性模量影响混凝土的弹性模量，而干缩与弹性模量密切相关。用低弹模的骨料配制的混凝土，收缩值比高弹模骨料配制的混凝土大得多。
混凝土配合比中，骨料的体积含量越高，在相同水灰比的情况下收缩降低。混凝土中发生收缩的主要组分是水泥浆体，水泥用量和水化程度都会对混凝土的干缩产生影响。干缩还受水灰比的影响，水灰比越大，干缩也越大。
养护条件对干缩有显著影响。养护环境湿度越高，干缩越小；延长养护时间，可以推迟干缩的发生和发展，但对最终的干缩率没有显著的影响。
水泥的种类、组成和性能等对水泥浆体的收缩有影响，但因骨料的限制，对混凝土干缩影响不大。
在混凝土中掺入外加剂或外掺料，会影响收缩。如掺入CaCl会2增大混凝土收缩；掺入矿渣、火山灰等能使混凝土孔细化的外掺料也会增加混凝土的干缩。
混凝土干缩和自收缩是有区别的。干缩与自收缩一样，都是由于水的迁移引起的。干缩是由于水向外蒸发散失引起的，当混凝土在不饱和空气中失去毛细孔和凝胶孔的吸附水时就会产生干缩。自收缩是混凝土内部水泥水化消耗水分引起毛细管负压产生张力造成的混凝土收缩。干缩通常发生在混凝土表面，而自收缩在混凝土体内相当均匀地发生，而不仅仅在混凝土表面发生。
混凝土干缩值可达1000～4000×10-6，干缩是引起混凝土体积收缩的主要原因。5）碳化收缩尽管空气中CO浓度不高，但已硬化的2水泥浆体长期暴露在空气中，会与CO发生化学反应，此反应伴有不2可逆收缩，称为碳化收缩。产生碳化收缩的原因是由于空气中的CO2与水泥石中的水化物，特别是与Ca（OH）的不断作用，引起水泥石2结构的解体所致。
影响混凝土碳化收缩的两个最基本因素是CO的浓度和湿度。2CO浓度越高，碳化反应越迅速，因而碳化收缩也越大。湿度的影响2有一最大值，在相对湿度大约为50%时，碳化收缩达最大值。从化学反应角度来说，碳化反应并非是CO气体与水化产物直接反应，而是2首先CO溶于水中形成碳酸，真正的反应是碳酸与水化产物的反应。2只有在较高的湿度条件下才能形成较多的碳酸，有利于加速反应。因此，湿度越高，碳化反应越快。但是，碳化反应快并不意味着碳化收缩大。碳化反应会释放出水分子，而只有当这些水分子失去时才能造成水泥体积的变化。显然，水分的失去是随着相对湿度的下降而增大的。也就是说，湿度越大，失水越不容易，因此收缩越小。碳化收缩的这两个过程对湿度的要求是相反的，在较低的湿度条件下，碳化反应难以进行，没有水分子形成，当然也就谈不上失水收缩；在较高的相对湿度下，虽然碳化反应较迅速，但生成的水难以失去，因而也不会产生明显的收缩。只有在某一适合的湿度条件下，碳化反应能以较快的速率进行，而且所释放出的水也能迅速失去时，碳化收缩最显著。
碳化通常发生在混凝土表面处，而这里干燥收缩也最大，碳化收缩与干缩叠加后，可能引起严重的收缩裂缝。
6）温度变形
混凝土温度变形是由热胀冷缩引起的。混凝土的温度变形系数为0.01mm/℃。
温度变形过大，对大体积混凝土和纵长的混凝土结构不利。混凝土是热的不良导体，散热慢，浇注后内外部可能产生很大的温差，造成内胀外缩。内外温差为50℃时，大约产生500个微应变。如混凝土弹模为20GPa，在约束条件下，产生拉应力10MPa，混凝土外表会产生很大的拉应力而开裂。在计算钢筋混凝土的伸缩缝和大体积混凝土的温度应力分布时，需要用到混凝土的温度变形系数。
混凝土中，水泥浆体的热膨胀系数大于骨料，因而骨料含量多时，混凝土的温度变形小。而混凝土所采用的骨料种类不同其热膨胀系数也不一样，通常，石英岩最小，依次为砂岩、玄武岩、花岗岩和石灰岩。
一般纵长的钢筋混凝土结构物，每隔一段长度设置伸缩缝，在内部配置温度钢筋，防止因温度变形而带来对结构的危害。
4.4.2 荷载作用下的变形
1）短期荷载作用下的变形
混凝土是一种不均匀的材料，在外力作用下既可产生弹性变形也可产生塑性变形，是一种弹塑性材料。荷载作用下的变形能力大小用变形模量表示。
由于混凝土的σε曲线呈非线性关系，混凝土的应变与应力的变化规律为一变量，不同应力阶段的应力与应变关系的材料模量是变化的，统称变形模量，用以下三种方法表示：（1）混凝土的弹性模量（原点切线模量）
在混凝土一次加载的棱柱体应力应变曲线的原点做一切线，其斜率即为混凝土的原点模量（弹性模量）：Ec=tgα。图4-10 混凝土原点切线模量及测定
由于要在混凝土一次加载应力应变曲线上做原点的切线，而不容易准确找到原点切线，所以通常的做法是对标准尺寸为150mm×150mm×300mm的棱柱体试件，先加载至轴心抗压强度的三分之一，然后卸载到零，反复5～10次。由于混凝土不是完全弹性材料，每次卸载存在残余变形，随加载次数的增加，应力应变曲线渐趋于稳定的直线，该直线的斜率就是混凝土的弹性模量。（2）混凝土的变形模量（割线模量或弹塑性模量）
σε曲线上任意一点与原点连线的斜率，称为任意点的变形模量，如图4-11。图4-11 混凝土的割线模量图4-12 混凝土的切线模量（3）混凝土的切线模量
σε曲线上某一应力的切线的斜率。
由图4-12可以看出，混凝土的切线模量是一个变值，它随混凝土的应力增大而减小。
混凝土的弹性模量与其强度之间存在着较密切的关系。通常当混凝土强度等级为C10～C60时，弹性模量约为17.5～36GPa。也可以用下式通过强度估计混凝土的弹性模量：
混凝土的弹性模量在结构设计中计算混凝土的变形、开裂和应力时经常用到。
影响混凝土弹性模量的因素基本上与影响强度的因素相同。弹性模量与混凝土组成成分的弹性模量和数量有关，骨料用量多，水泥浆数量少，弹性模量大；所用的骨料弹性模量大则混凝土的弹性模量也大。弹性模量也与混凝土中含水量、含气量有关。混凝土饱水时的弹性模量比干燥时大，引气混凝土弹性模量降低。
2）混凝土的徐变
徐变是混凝土在荷载长期作用下，即应力不变情况下，应变随时间继续增长的现象，如图4-13。
徐变开始时增长较快，以后逐渐减慢，经过较长时间后就逐渐趋于稳定。一般六个月完成大部分（70%～80%），一年趋于稳定，三年基本完成。当在两年后卸载，瞬时恢复部分应变，经过一段时间又恢复一部分应变（弹性后效），剩余的为残余变形，它是水泥凝胶体向水泥结晶体应力重新分布、内部微裂缝长期积累的结果。图4-13 混凝土的徐变
徐变会使结构（构件）的（挠度）变形增大，引起预应力损失，在长期高应力作用下，甚至会导致破坏。但徐变有利于结构构件产生内（应）力重分布，降低结构的受力，减小大体积混凝土的温度应力。
徐变产生的原因：水泥石由结晶体和凝胶体组成，在外力长期持续作用下，凝胶体具有黏性流动的特性，产生持续变形。混凝土内部的微裂缝在外力的作用下不断扩展，也会导致应变的增加。
徐变受很多因素影响：（1）应力越大徐变也越大，当应力较小时，徐变与应力成正比，称为线形徐变；应力较大时，徐变变形比应力增长要快，称为非线形徐变。（2）加载龄期越早，徐变越大。（3）养护时的温度和湿度对徐变有重要影响，养护时温度高、湿度大，水泥水化作用充分，徐变越小；受荷载作用后，环境温度越高，湿度越低，则徐变越大。（4）骨料越坚硬，弹性模量越高，对水泥石徐变的约束作用越大，混凝土徐变越小。（5）水泥用量越多，徐变越大；水灰比越大，徐变越大。（6）大尺寸试件内部失水受到限制，徐变减小。4.5 混凝土的耐久性
混凝土的耐久性指混凝土在周围自然环境及使用条件等长期作用下经久耐用，能保持强度与外观完整的性能。
耐久性主要包括抗渗性、抗冻性、耐磨性、抗侵蚀性、碳化、碱骨料反应等。
4.5.1 抗渗性
混凝土的抗渗性是指混凝土抵抗压力作用下水、油等液体渗透的性能。
混凝土的抗渗性主要与混凝土的孔隙率，特别是开口孔隙率以及施工时形成的蜂窝、孔洞有关。
对于充分捣实的匀质混凝土，其渗水的通道有水泥浆中的孔隙、泌水产生的通道以及粗骨料下面的大空隙。这些与水泥品种、骨料级配、水灰比、外加剂以及施工振捣质量、养护条件等有关，因而，混凝土的抗渗性也与这些因素有关。
水灰比是影响混凝土抗渗性的一个主要因素。水灰比减小，则浆体的孔隙率减少，混凝土抗渗性提高。毛细孔的数量对抗渗性影响很大，当水灰比高于0.42时，随着水灰比的增加，毛细孔孔隙率急剧增加，抗渗性迅速下降。
粗骨料的最大尺寸越大，在骨料下形成大的空隙的可能性提高，抗渗性会有相当大的降低。
使用减水剂、改善和易性、降低水灰比，可减少泌水通道，提高抗渗性。使用粉煤灰、高炉矿渣粉末等辅助性胶凝材料，填充混凝土的孔隙，同时也由于火山灰反应提高混凝土的密实度，可相应提高抗渗性。
养护不善，特别是早期养护不当，易产生裂缝，降低抗渗性。
混凝土的抗渗性用抗渗标号来表示。抗渗标号是以28d龄期的标准试件，在标准试验方法下所能承受的最大水压力。抗渗标号分为S2、S4、S6、S8、S10、S12六个等级，它们分别表示能抵抗0.2MPa、0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa的水压力而不渗透。
混凝土的抗渗性对耐久性十分重要。抗渗性控制着水分渗入的速率，这些水中可能含有潜在的腐蚀性物质，在受热或冻结过程中水的移动也主要受抗渗性影响。
4.5.2 抗冻性
混凝土抗冻性是指混凝土在水饱和状态下，能经受多次冻融循环作用而不被破坏，同时也不严重降低强度的性能。
混凝土冻结破坏机理主要有静水压理论和渗透压理论。
静水压理论学认为：冻结时，负温度从混凝土构件的四周侵入，冻结首先在混凝土四周表面上形成，并将混凝土构件封闭起来。由于表层水结冰，冰体积膨胀，将未冻结的水分通过毛细孔道压入饱和度较小的内部。随着温度不断降低，冰体积不断增大，继续压迫未冻水，未冻水被压得无处可走，于是在毛细孔内产生越来越大的压力，从而使水泥石内毛细孔产生拉应力。水压力达到一定程度，水泥石内部的拉应力过高，抗拉强度达到极限时，则毛细孔会遭到破裂，混凝土中即产生微裂纹而受到破坏。
渗透压理论认为：在负温条件下，大孔及毛细孔中的溶液首先有部分冻结成冰，由于在溶液中的水从中冻结出来，使得溶液的浓度变大，从而在毛细孔与凝胶孔内溶液之间存在着浓度差，这引起了从凝胶孔向毛细孔的扩散作用，形成了渗透压，导致混凝土损伤破坏。
混凝土的抗冻性主要取决于混凝土的孔隙率、开口孔隙率和孔隙的水饱和度。
混凝土的抗冻性与水泥品种、标号、混凝土的水灰比等有密切关系。混凝土中掺用引气剂可显著提高其抗冻性。在材料一定的情况下，水灰比的大小是影响混凝土抗冻性的主要因素。水灰比高，混凝土孔隙率大，混凝土强度也较低，抗冻性低。
混凝土的抗冻性一般以抗冻标号表示。抗冻标号是以28d龄期在饱水状态下的标准试件，经循环冻融后，同时满足强度损失率不超过25%、质量损失不超过5%时所能承受的最大冻融循环的次数。抗冻标号有：D25、D50、D100、D150、D200、D250、D300七个等级。
4.5.3 耐磨性
交通运输造成的磨损、流水携带的砂砾或其他物质产生的磨损和冲击、大气的侵蚀等，均可导致混凝土表面受磨损侵蚀。混凝土的耐磨性就是抵抗这些磨蚀作用的能力。
大气侵蚀造成的磨损混凝土航道，在水下和严重屈曲不平的条件下，当水高速流过航道时就会离开表面，而在混凝土中形成一个很大的负压区，再由于汽化和水蒸气的作用，使之产生了空洞，这种现象就叫做空气侵蚀。这个空洞由于水的流入和冲刷，使混凝土形成蜂巢状的侵蚀。
道路路面受到车辆荷载的作用，大坝导流面以及其他航道结构物受到含有砂砾的水流作用，其结构的混凝土表面都要受到磨耗侵蚀，这种侵蚀除了与混凝土表面为平行的磨损之外，还有与表面成一定角度的冲击、压碎作用。
磨损的发生是从混凝土结构的灰浆表面开始的，当灰浆被磨耗后，慢慢就露出了骨料。因此，骨料与水泥浆或者砂浆的黏结性、骨料的耐磨性等影响着混凝土的耐磨性。密实的、强度高的骨料配制的混凝土耐磨性好；多棱角的骨料与水泥石的黏结性好，可提高耐磨性。当骨料质量相同时，混凝土的耐磨性主要受配合比、养护、龄期等影响。水灰比越小，强度越高则抗磨性越大；湿润养护充分，会增大耐磨性。对混凝土表面进行抹面和修饰，可以提高耐磨性。
为提高混凝土的耐磨性，混凝土单位用水量和水灰比应尽可能小；配制的混凝土应密实、强度高；骨料本身应有高的强度和耐磨性；要进行表面抹光和充分的湿润养护。
为了防止空气侵蚀，至为重要的是，按水力学原理进行设计，使结构物形状与流水的形状一致，使之不产生空气侵蚀；其次是对混凝土表面进行平滑整修，以消除或减少空气侵蚀的机会。
4.5.4 抗侵蚀性
混凝土在使用过程中会与酸、碱、盐类化学物质接触，这些化学物质会导致水泥石腐蚀，从而降低混凝土的耐久性。有关酸、碱、盐类化学物质对水泥石的腐蚀参见水泥石的腐蚀的内容。
4.5.5 碳化
混凝土碳化作用是碳酸气或含碳酸的水与混凝土中氢氧化钙作用生成碳酸钙的反应。碳化过程是外界环境中的CO通过混凝土表层的2孔隙和毛细孔，不断地向内部扩散的过程。
混凝土的碳化一定要有水分存在。当环境的相对湿度为50%～60%时碳化的反应最快，但当孔隙全部为水分所充满时，也会妨碍CO的扩散。CO扩散的深度，通常用来作为评价混凝土抗碳化性能22的技术参数。掺混合材料配成的混凝土易产生碳化。混凝土的孔隙率越小、孔径越细，CO的扩散速率变慢，碳化作用也越小。施工中振2捣不密实，产生蜂窝麻面以及混凝土表面开裂，均会使碳化大大加快。
碳化作用通常是指CO气体的作用，它不会直接引起混凝土性能2的劣化，经过碳化的水泥混凝土，表面强度、硬度、密度还能有所提高。
碳化又称为混凝土的中性化，混凝土中的钢筋受碱环境保护不易受到腐蚀，但碳化发生后，保护作用消除，钢筋容易产生锈蚀。另外，碳化作用产生碳化收缩，有可能在混凝土表面产生裂缝。
碳化深度通常可用无色酚酞试液来鉴定。用无色酚酞涂在断面上，混凝土表层碳化后不呈现红色，而未碳化的混凝土则会变成红色。
4.5.6 碱骨料反应
混凝土碱骨料反应（AAR）主要是由混凝土中的碱与具有碱活性的骨料在适合的外部条件下所发生的膨胀性反应。这种反应引起混凝土明显的体积膨胀和开裂，改变混凝土的微结构，使混凝土的抗压强度、弹性模量等力学性能明显下降，而且AAR反应一旦发生，很难阻止，更不易修补和挽救，对混凝土的危害很大。
AAR主要分为碱硅酸反应和碱碳酸盐反应。两种类型的AAR都必须同时并存三个必要条件：①混凝土中含有过量的碱；②骨料中含有碱活性矿物；③混凝土处在潮湿环境中。前两个条件是由混凝土的组成材料所决定的，后一个条件是外部条件。
混凝土中碱的主要来源是水泥和外加剂。混凝土是一种多孔材料，来自水泥和外加剂等的碱使孔溶液成为强碱溶液，OH—浓度可达0.7mol/L甚至更高。
活性骨料含活性氧化硅，主要有含蛋白石、燧石、鳞石英、方石英等矿物的岩石，如流纹岩、安山岩、凝灰岩、蛋白岩等。活性骨料与强碱溶液接触时，强碱中的OH—会使活性骨料中的氧化硅解聚，形成碱硅酸凝胶，在一定湿度条件下，凝胶体积膨胀，造成混凝土损伤破坏。
在工程实际中，AAR可以通过控制混凝土的碱含量，采用非活性骨料或对骨料碱活性进行检验来加以预防。在混凝土中掺入硅灰、粉煤灰等辅助性胶凝材料可以有效抑制AAR。
4.5.7 提高混凝土耐久性的措施
提高混凝土耐久性，常见的措施是通过优选原材料和配合比来实现，如：合理选择水泥品种，选用品种良好、级配合格的骨料，掺加外加剂等。同时，还要采取各种措施保证混凝土的施工质量。
由于混凝土的水灰比和水泥用量影响强度和密实性，进而严重影响耐久性，在实际工作中，主要是通过适当控制混凝土的水灰比和水泥用量来保证混凝土的耐久性。表4-8是国家标准GJ 55—2000对混凝土的最大水灰比和最小水泥用量的要求。在表中规定的环境中，若混凝土的最大水灰比和最小水泥用量超出了规定范围，就有理由认为混凝土存在着耐久性方面的问题。表4-8 混凝土的最大水灰比和最小水泥用量的规定4.6 混凝土掺和料和外加剂
4.6.1 混凝土掺和料
在混凝土拌和物制备时，为了节约水泥、改善混凝土性能、调节混凝土强度等级而加入的天然的或者人造的矿物材料，统称为混凝土掺和料。用于混凝土中的掺和料可分为非活性掺和料和活性掺和料两大类。
非活性掺和料一般与水泥组分不起化学作用，或化学作用很小，如磨细石英砂、石灰石、硬矿渣之类材料。非活性混合材料可起到改善混凝土和易性、降低混凝土成本等作用。
活性掺和料虽然本身不硬化或硬化速度很慢，但能与水泥水化生成的Ca（OH）生成具有水硬性的胶凝物质，因此又称为辅助性胶凝2材料。活性矿物掺和料按照其来源可分为天然类、人工类和工业废料类。常用的活性混合材料有粒化高炉矿渣、火山灰质材料、粉煤灰、硅灰等。
采用超细微粒矿物质掺和料硅灰、超细粉磨的高炉矿渣、粉煤灰或沸石粉等作为超细微粒混合材，是配制高强、超高强混凝土时行之有效的、比较经济实用的技术途径，是当今国际混凝土技术发展的趋势之一。随着建筑技术的发展，超细微粒混合材料将成为高性能混凝土不可缺少的第五组分。
活性混合材料能够提高混凝土的后期强度，降低水化热，增进混凝土的耐久性，但也会带来副作用，如降低早期强度、增大需水量、增加收缩等，因此不能盲目掺用，应根据具体情况科学使用。
1）粉煤灰
粉煤灰是煤粉燃烧后，由烟气自锅炉中带出的粉状残留物，经静电或机械方式除尘收集到的细粉末，其颗粒多呈球形，表面光滑。粉煤灰有高钙粉煤灰和低钙粉煤灰之分，由褐煤燃烧形成的粉煤灰，其氧化钙含量较高（一般CaO＞10%），呈褐黄色，称为高钙粉煤灰，它具有一定的水硬性；由烟煤和无烟煤燃烧形成的粉煤灰，其氧化钙含量很低（一般CaO＜10%），呈灰色或深灰色，称为低钙粉煤灰，一般具有火山灰活性。
低钙粉煤灰来源比较广泛，是当前国内外用量最大、使用范围最广的混凝土掺和料。用其做掺和料，一般可节约水泥10%～15%，可改善和提高混凝土的和易性、可泵性和抹面性，降低混凝土水化热，提高混凝土抗硫酸盐性能和抗渗性，抑制碱骨料反应等。
高钙粉煤灰由于其来源不及低钙粉煤灰广泛，有关其品质指标及应用技术规范尚不很完善，目前仍在研究中。
粉煤灰主要成分为SiO、AlO及FeO，其总量占粉煤灰的85%22323左右，CaO含量普遍较低，基本上都无自硬性。烧失量的波动范围较大，平均值亦偏高。粉煤灰具有无定型的玻璃体结构，故具有潜在活性。
粉煤灰作为一种对混凝土性能发生重要影响的基本材料，以改善和提高混凝土质量、节省资源和能源为目的。粉煤灰在混凝土中有形态效应、活性效应和微骨料效应三类基本效应。
粉煤灰的形态效应是指粉煤灰粉料由其颗粒的外观形貌、内部结构、表面性质、颗粒级配等物理性状所产生的效应。在高温燃烧过程中形成的粉煤灰颗粒，绝大多数为玻璃微珠，这部分外表比较光滑的类球形颗粒，由硅铝玻璃体组成，尺寸多在几微米到几十微米。由于球形颗粒表面光滑，故掺入混凝土之后能起滚球润滑作用，并能不增加甚至减少混凝土拌和物的用水量，起到减水作用。
粉煤灰的活性效应是指混凝土中粉煤灰的活性成分所产生的化学效应。粉煤灰的活性取决于粉煤灰的火山灰反应能力，即粉煤灰中具有化学活性SiO和AlO与Ca（OH）反应，生成类似于水泥水化所2232产生的水化硅酸钙和水化铝酸钙等反应产物。这些水化产物可作为胶凝材料的一部分起到增强作用。火山灰反应在水泥水化析出的Ca（OH）吸附到粉煤灰颗粒表面的时候开始，一直可延续到28d以2后的相当长时间内。
粉煤灰的微骨料效应是指粉煤灰中的微细颗粒均匀分布在水泥浆内，填充孔隙和毛细孔，改善混凝土孔结构和增大密实度的特性。
粉煤灰的这三个效应是共存于一体且相互影响的，不应该强调某一效应而忽视其他效应。但对于混凝土的某一性能，在某种特定的条件下，可能是某一效应起主导作用，而对于混凝土的另外一种性能，在另外的条件下，则可能是另一效应起主导作用，应根据具体情况作具体分析。
超细粉煤灰的三大效应更为明显，尤其是在与高效减水剂配合使用时更是如此。
粉煤灰可掺到混凝土中用于配制泵送混凝土、大体积混凝土、抗渗结构混凝土、抗硫酸盐和抗软水侵蚀混凝土、蒸养混凝土、轻骨料
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